Eftersom elektroniska enheter mättar alla hörn av det offentliga och personliga livet, ingenjörer försöker hitta lättvikts mekaniskt stabil, flexibel, och lätttillverkade material som kan skydda människor från överdriven elektromagnetisk strålning samt förhindra elektroniska enheter från att störa varandra.

I en genombrottsrapport publicerad i Avancerade material —den bästa tidskriften inom området—ingenjörer vid University of California, Riverside beskriver en flexibel film med ett kvasi-endimensionellt nanomaterialfyllmedel som kombinerar utmärkt elektromagnetisk skärmning med enkel tillverkning.

"Dessa nya filmer är lovande för högfrekvent kommunikationsteknik, som kräver elektromagnetisk interferensskärmande filmer som är flexibla, lättvikt, korrosionsbeständig, billig, och elektriskt isolerande, " sa seniorförfattaren Alexander A. Balandin, en framstående professor i el- och datorteknik vid UC Riversides Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering. "De kopplar starkt till högfrekvent radiofrekvent strålning samtidigt som de förblir elektriskt isolerande i likströmsmätningar."

Elektromagnetisk störning, eller EMI, uppstår när signaler från olika elektroniska enheter korsar varandra, påverkar prestanda. Signalen från en mobiltelefon eller bärbar dator WiFi, eller till och med en köksmixer, kan orsaka statisk elektricitet på en TV-skärm, till exempel. Likaså, flygbolagen instruerar passagerare att stänga av mobiltelefoner under landning och start eftersom deras signaler kan störa navigationssignaler.

Ingenjörer har för länge sedan lärt sig att alla elektriska enheter kan påverka funktionen hos en närliggande enhet och utvecklade material för att skydda elektronik från störande signaler. Men nu när elektroniska enheter har blivit allestädes närvarande, små, trådlöst ansluten, och avgörande för otaliga viktiga tjänster, möjligheterna för och riskerna för EMI-orsakade funktionsfel har ökat, och konventionella EMI-avskärmningsmaterial är ofta otillräckliga. Fler elektroniska enheter innebär att människor också utsätts för större elektromagnetisk strålning än tidigare. Nya skärmningsmaterial kommer att behövas för nästa generations elektronik.

Balandin ledde ett team som utvecklade den skalbara syntesen av kompositer med ovanliga fyllmedel – kemiskt exfolierade buntar av kvasi-endimensionella van der Waals-material. Kompositerna visade exceptionella EMI-avskärmningsmaterial i frekvensområdena gigahertz och sub-terahertz, viktigt för nuvarande och framtida kommunikationsteknik, samtidigt som den förblir elektriskt isolerande.

Grafen är det mest kända van der Waals-materialet. Det är tvådimensionellt eftersom det är ett plan av starkt bundna atomer. Många plan av grafen, svagt kopplade av van der Waals styrkor, utgöra en bulkgrafitkristall. Under många år, forskningen fokuserades specifikt på tvådimensionella skiktade van der Waals-material, som exfolierar till atomplan.

Endimensionella van der Waals-material består av starkt bundna atomkedjor, snarare än flygplan, som är svagt bundna av van der Waals styrkor. Sådana material exfolierar till nålliknande "endimensionella" strukturer snarare än tvådimensionella plan. Balandingruppen genomförde banbrytande studier av endimensionella metaller som visade deras ovanliga egenskaper. I den nya tidningen, Balandin-gruppen rapporterar att de använder en kemisk process som skulle kunna skalas upp för massproduktion av dessa endimensionella material.

Doktoranden Zahra Barani och Fariboz Kargar, en forskarprofessor och projektforskare med Balandins Phonon Optimized Engineered Materials, eller POEM Center, syntetiserade de unika kompositerna genom att behandla övergångsmetallen trikalkogenider, eller TaSe ₃ , ett skiktat van der Waals-material med en kvasi-endimensionell kristallstruktur, med kemikalier som fick den att falla nålliknande, kvasi-1D van der Waals nanotrådar med extremt stora bildförhållande på upp till ~106— massivt längre än tjocka. I tidigare forskning, gruppen upptäckte att buntar av kvasi-1D TaSe ₃ atomtrådar kan stödja höga strömtätheter.

"Det fanns inget standardrecept för exfoliering av dessa material. Jag gjorde många trial and error experiment, samtidigt som du kontrollerar klyvningsenergin och andra viktiga parametrar för att exfoliera dem med högt utbyte. Jag visste att nyckeln är att få paket med så högt bildförhållande som jag kan, eftersom EM-vågor kopplas ihop med längre och tunnare trådar bättre. Det krävde optisk mikroskopi och karakterisering av svepelektronmikroskopi efter varje exfolieringssteg, ", sa förstaförfattaren Barani.

Forskarna fyllde en matris gjord av en speciell polymer med buntar av den exfolierade TaSe ₃ att producera en tunn, svart film. De syntetiserade kompositfilmerna, samtidigt som de förblir elektriskt isolerande, visade exceptionella prestanda för att blockera elektromagnetiska vågor. Polymerkompositerna med låg laddning av fyllmedlen var särskilt effektiva.

"Den elektromagnetiska skärmningseffektiviteten hos kompositer är korrelerad med bildförhållandet för fyllnadsmaterialen. Ju högre bildförhållande, ju lägre fyllmedelskoncentration behövs för att ge betydande EM-avskärmning, " sa Kargar. "Det här är fördelaktigt, eftersom man genom att sänka fyllmedelsinnehållet skulle dra fördel av polymerernas inneboende egenskaper såsom låg vikt och flexibilitet. I detta avseende Jag kan säga att den här klassen av material är exceptionella när de väl har exfolierats ordentligt, kontrollera tjockleken och längden."

"I slutet, Jag fattade dem rätt, framställde en komposit och mätte EMI-egenskaperna. Resultaten var fantastiska:ingen elektrisk ledningsförmåga men mer än 99,99 % av EMI-skärmningen för mikrometertjocka filmer, " tillade Barani.

quasi-1D van der Waals metalliska fyllmedel kan tillverkas billigt och i stora mängder. Balandin sa att forskning om atombuntar av kvasi-1D van der Waals-material som individuella ledare, och kompositer med sådana material har bara börjat.

"Jag är säker på att vi snart kommer att se många framsteg med kvasi-1D van der Waals-material, som hände med kvasi-2-D material, " han sa.