A medida que damos la bienvenida a la tecnología inalámbrica a más áreas de la vida, el bullicio electrónico adicional está creando un vecindario electromagnéticamente ruidoso. Con la esperanza de limitar el tráfico adicional, Los investigadores de la Universidad de Drexel han estado probando materiales bidimensionales conocidos por sus capacidades de bloqueo de interferencias. Su último descubrimiento, reportado en la revista Ciencias , tiene la excepcional capacidad de protección de un nuevo material bidimensional que puede absorber la interferencia electromagnética en lugar de simplemente desviarse hacia la refriega.

El material, llamado carbonitruro de titanio, es parte de una familia de materiales bidimensionales, llamado MXenes, que se produjeron por primera vez en Drexel en 2011. Los investigadores han revelado que estos materiales tienen una serie de propiedades excepcionales, incluyendo una fuerza impresionante, alta conductividad eléctrica y capacidad de filtración molecular. La característica excepcional del carbonitruro de titanio es que puede bloquear y absorber la interferencia electromagnética de forma más eficaz que cualquier material conocido. incluidas las láminas metálicas que se utilizan actualmente en la mayoría de los dispositivos electrónicos.

"Este descubrimiento rompe todas las barreras que existían en el campo de blindaje electromagnético. No solo revela un material de blindaje que funciona mejor que el cobre, pero también muestra un emocionante, nueva física emergente, como vemos que los materiales bidimensionales discretos interactúan con la radiación electromagnética de una manera diferente a los metales a granel, "dijo Yury Gogotsi, Doctor., Distinguido profesor universitario y de Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel, quien dirigió el grupo de investigación que hizo este descubrimiento de MXene, que también incluyó a científicos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea, y estudiantes de la asociación cooperativa de Drexel con el Instituto.

Si bien la interferencia electromagnética ("EMI" para ingenieros y tecnólogos) es notada con poca frecuencia por los usuarios de la tecnología, probablemente como un zumbido de un micrófono o altavoz, es una preocupación constante para los ingenieros que lo diseñan. Las cosas con las que interfiere EMI son otros componentes eléctricos, como antenas y circuitos. Disminuye el rendimiento eléctrico, puede ralentizar las tasas de intercambio de datos e incluso puede interrumpir el funcionamiento de los dispositivos.

Los diseñadores e ingenieros de electrónica tienden a utilizar materiales de protección para contener y desviar la EMI en los dispositivos, ya sea cubriendo toda la placa de circuito con una jaula de cobre, o, más recientemente, envolviendo los componentes individuales en una lámina protectora. Pero ambas estrategias agregan volumen y peso a los dispositivos.

El grupo de Gogotsi descubrió que sus materiales MXene, que son mucho más delgados y ligeros que el cobre, puede ser bastante eficaz en el blindaje EMI. Sus hallazgos, informó en Science hace cuatro años, indicó que un MXene llamado carburo de titanio mostró el potencial de ser tan efectivo como los materiales estándar de la industria en ese momento, y se podría aplicar fácilmente como revestimiento. Esta investigación se convirtió rápidamente en uno de los descubrimientos más impactantes en el campo e inspiró a otros investigadores a buscar otros materiales para el blindaje EMI.

Pero a medida que los equipos de Drexel y KIST continuaron inspeccionando a otros miembros de la familia para esta aplicación, descubrieron las cualidades únicas del carbonitruro de titanio que lo convierten en un candidato aún más prometedor para aplicaciones de blindaje EMI.

"El carbonitruro de titanio tiene una estructura muy similar en comparación con el carburo de titanio; en realidad, son idénticos, aparte de que uno reemplaza la mitad de sus átomos de carbono con átomos de nitrógeno, pero el carbonitruro de titanio es aproximadamente un orden de magnitud menos conductor, "dijo Kanit Hantanasirisakul, candidato a doctorado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Drexel. "Así que queríamos obtener una comprensión fundamental de los efectos de la conductividad y la composición elemental en la aplicación de blindaje EMI".

A través de una serie de pruebas, el grupo hizo un descubrimiento sorprendente. A saber, que una película del material de carbonitruro de titanio, muchas veces más delgada que el grosor de una hebra de cabello humano, podría bloquear la interferencia EMI unas 3-5 veces más eficazmente que un grosor similar de lámina de cobre, que se utiliza normalmente en dispositivos electrónicos.

"Es importante señalar que inicialmente no esperábamos que el carbonitruro de titanio MXene fuera mejor en comparación con el más conductor de todos los MXenes conocidos:carburo de titanio, "Hantanasirisakul dijo." Primero pensamos que podría haber algo mal con las mediciones o los cálculos. Entonces, repetimos experimentos una y otra vez para asegurarnos de que hicimos todo correctamente y de que los valores fueran reproducibles ".

Quizás más significativo que el descubrimiento del equipo de la destreza de protección del material es su nueva comprensión de la forma en que funciona. La mayoría de los materiales de blindaje EMI simplemente evitan la penetración de las ondas electromagnéticas al reflejarlas. Si bien esto es eficaz para proteger los componentes, no alivia el problema general de la propagación de EMI en el medio ambiente. El grupo de Gogotsi descubrió que el carbonitruro de titanio en realidad bloquea la EMI al absorber las ondas electromagnéticas.

"Esta es una forma mucho más sostenible de manejar la contaminación electromagnética que simplemente reflejar ondas que aún pueden dañar otros dispositivos que no están blindados, ", Dijo Hantanasirisakul." Encontramos que la mayoría de las ondas son absorbidas por las películas de carbonitruro MXene en capas. Es como la diferencia entre tirar la basura de tu camino o recogerla; esta es, en última instancia, una solución mucho mejor ".

Esto también significa que el carbonitruro de titanio podría usarse para revestir individualmente los componentes dentro de un dispositivo para contener su EMI incluso cuando se colocan muy juntos. Empresas como Apple han estado probando esta estrategia de contención durante varios años, pero con éxito limitado por el grosor de la hoja de cobre. A medida que los diseñadores de dispositivos se esfuerzan por hacerlos omnipresentes haciéndolos más pequeños, menos perceptible y más integrado, es probable que esta estrategia se convierta en la nueva norma.

Los investigadores sospechan que la singularidad del carbonitruro de titanio se debe a sus capas, estructura porosa, lo que permite que EMI penetre parcialmente en el material, y su composición química, que atrapa y disipa la EMI. Esta combinación de características emerge dentro del material cuando se calienta en un paso final de formación, llamado recocido.

"Fue un hallazgo contrario a la intuición. La efectividad del blindaje EMI generalmente aumenta con la conductividad eléctrica. Sabíamos que el tratamiento térmico puede aumentar la conductividad, así que lo probamos con el carbonitruro de titanio para ver si mejoraba su capacidad de protección. Lo que descubrimos es que solo mejoró marginalmente su conductividad, pero aumentó enormemente su eficacia protectora, ", Dijo Gogotsi." Este trabajo nos motiva, y debe motivar a otros en el campo, para investigar las propiedades y aplicaciones de otros MXenes, ya que pueden mostrar un rendimiento aún mejor a pesar de ser menos conductores de electricidad ".

El equipo de Drexel ha estado ampliando su alcance y ya ha examinado las capacidades de blindaje EMI de 16 materiales MXene diferentes, aproximadamente la mitad de todos los MXenes producidos en su laboratorio. Planea continuar su investigación del carbonitruro de titanio para comprender mejor su comportamiento electromagnético único, con la esperanza de predecir habilidades ocultas en otros materiales.