Будущие электромагнитные экраны могут стать легче, прочнее и экологичнее
Исследователи изучают новое поколение материалов для электромагнитного экранирования, сочетающих исключительную проводимость с улучшенной прочностью и гибкостью.
Материалы для электромагнитного экранирования должны блокировать нежелательные сигналы, не увеличивая при этом вес и не жертвуя прочностью. Традиционные варианты, включая металлы, проводящие полимеры и углеродсодержащие материалы, могут быть тяжелыми, негибкими или дорогими. Сейчас исследователи изучают композиты, сочетающие исключительную электропроводность с прочностью и гибкостью, необходимыми для практического применения.
Один из перспективных подходов сочетает двумерные карбиды и нитриды переходных металлов (MXenes) с наноцеллюлозой — легким материалом, получаемым из природной биомассы. MXenes обладают превосходной проводимостью и химической стабильностью, но пленки, изготовленные только из них, как правило, хрупкие. Добавление наноцеллюлозы может улучшить механическую прочность, сохраняя при этом электрические свойства, необходимые для защиты электроники от электромагнитных помех.
Как структура материала влияет на электромагнитное экранирование
Исследовательская группа под руководством профессора Мин-Го Ма из Пекинского лесотехнического университета в Китае опубликовала всесторонний обзор композитов MXene/наноцеллюлоза, изучив, как их структура, методы изготовления и механизмы упрочнения влияют на характеристики.
Исследователи выявили важные различия между одномерными волокнами, двухмерными слоистыми пленками и трехмерными сетями. Плотные пленки в основном блокируют электромагнитные волны за счет отражения, в то время как пористые аэрогели способствуют поглощению, позволяя волнам проникать в взаимосвязанные структуры и взаимодействовать с проводящими поверхностями. Гидрогели могут обеспечить более сбалансированное сочетание отражения и поглощения. Слоистые конструкции, включая сэндвич-структуры, структуры Януса и структуры, вдохновленные природой, предлагают дополнительные способы управления экранирующим поведением.
Создание более прочных и гибких материалов
Для повышения долговечности требуется нечто большее, чем простое сочетание листов MXene с целлюлозными волокнами. В обзоре рассматриваются несколько подходов к упрочнению, включая физические взаимодействия, такие как водородные связи, переплетение волокон и сшивание ионами металлов. Химические методы позволяют создавать более прочные ковалентные связи с использованием таких агентов, как полидопамин или ПМДИ.
Сочетание обратимых физических связей с постоянными химическими сетями позволяет получать материалы с большей прочностью, ударной вязкостью и стабильностью. Исследователи также сравнили различные методы производства, от смешивания растворов и вакуумной фильтрации до 3D-печати, лиофилизации, электропрядения и послойной сборки. Каждый метод предполагает различные компромиссы между механическими свойствами, эффективностью экранирования и сложностью производства.
Что необходимо улучшить для широкого внедрения?
Несмотря на многообещающие лабораторные результаты, остается ряд препятствий. Для производства MXene (максенов) требуются более экологичные методы синтеза, а композитные материалы должны сохранять свои рабочие характеристики при длительном воздействии влажности и высоких температур. Сложности также вызывает масштабирование производственных процессов при сохранении стабильных механических и электрических свойств.
Будущие исследования могут быть направлены на расширение возможностей экранирования в более широком диапазоне частот — от гигагерц до терагерц — с внедрением компонентов, реагирующих на магнитное поле или температуру. Подобные достижения могут способствовать созданию «умных» экранирующих материалов, способных изменять свои электромагнитные свойства в зависимости от внешних условий.
«В этом обзоре представлен комплексный подход, связывающий методы изготовления, механизмы упрочнения и структурную архитектуру материалов, — отметил профессор Мин-Го Ма, автор-корреспондент работы. — Это существенно продвинет вперед рациональное проектирование и практическое применение высокоэффективных электромагнитных экранирующих композитов на основе MXene и наноцеллюлозы».
