Elmotorer och elektroniska enheter genererar elektromagnetiska fält som ibland måste skärmas för att inte påverka närliggande elektroniska komponenter eller överföring av signaler. Högfrekventa elektromagnetiska fält kan endast skärmas med ledande skal som är stängda på alla sidor. Ofta används tunna metallplåtar eller metalliserade folier för detta ändamål. Dock, för många tillämpningar är en sådan skärm för tung eller för dåligt anpassad till den givna geometrin. Den idealiska lösningen skulle vara ett ljus, flexibelt och hållbart material med extremt hög skärmningseffektivitet.

Aerogeler mot elektromagnetisk strålning

Ett genombrott inom detta område har nu uppnåtts av en forskargrupp ledd av Zhihui Zeng och Gustav Nyström. Forskarna använder nanofibrer av cellulosa som grund för en aerogel, som är ett ljus, mycket poröst material. Cellulosafibrer erhålls från trä och, på grund av deras kemiska struktur, möjliggör ett brett utbud av kemiska modifieringar. De är därför ett mycket populärt forskningsobjekt. Den avgörande faktorn vid bearbetning och modifiering av dessa cellulosananofibrer är att kunna producera vissa mikrostrukturer på ett definierat sätt och att tolka de effekter som uppnås. Dessa samband mellan struktur och egenskaper är själva forskningsfältet för Nyströms team på Empa.

Forskarna har lyckats tillverka en komposit av cellulosa nanofibrer och silver nanotrådar, och därigenom skapade ultralätta fina strukturer som ger utmärkt avskärmning mot elektromagnetisk strålning. Effekten av materialet är imponerande:med en densitet på endast 1,7 milligram per kubikcentimeter, den silverförstärkta cellulosaaerogelen uppnår mer än 40 dB avskärmning i frekvensområdet för högupplöst radarstrålning (8 till 12 GHz) - med andra ord:Så gott som all strålning i detta frekvensområde fångas upp av materialet.

Iskristaller styr formen

Inte bara den korrekta sammansättningen av cellulosa och silvertråd är avgörande för skärmningseffekten, men även materialets porstruktur. Inuti porerna, de elektromagnetiska fälten reflekteras fram och tillbaka och utlöser dessutom elektromagnetiska fält i kompositmaterialet, som motverkar incidentfältet. För att skapa porer av optimal storlek och form, forskarna häller materialet i förkylda formar och låter det frysa långsamt. Tillväxten av iskristallerna skapar den optimala porstrukturen för att dämpa fälten.

Med denna produktionsmetod, dämpningseffekten kan till och med specificeras i olika rumsliga riktningar:Om materialet fryser ut i formen från botten till toppen, den elektromagnetiska dämpningseffekten är svagare i vertikal riktning. I horisontell riktning — dvs. vinkelrätt mot frysriktningen – dämpningseffekten är optimerad. Skärmkonstruktioner gjutna på detta sätt är mycket flexibla:även efter att ha böjts fram och tillbaka tusen gånger, dämpningseffekten är praktiskt taget densamma som med originalmaterialet. Den önskade absorptionen kan till och med enkelt justeras genom att lägga till mer eller mindre silver nanotrådar till kompositen, samt av den gjutna aerogelens porositet och tjockleken på det gjutna lagret.

Den lättaste elektromagnetiska skölden i världen

I ett annat experiment, forskarna tog bort silver-nanotrådarna från kompositmaterialet och kopplade sina cellulosananofibrer med tvådimensionella nanoplattor av titankarbid, som producerades med en särskild etsningsprocess. Nanoplattorna fungerar som hårda "tegelstenar" som sammanfogas med flexibel "murbruk" av cellulosafibrer. Denna formulering frystes även i kylda former på ett målinriktat sätt. I förhållande till materialets vikt, inget annat material kan uppnå sådan skärmning. Detta rankar titankarbid nanocellulosa aerogelen som det överlägset lättaste elektromagnetiska skärmningsmaterialet i världen.