Una película de polímero llena de TaSe cuasi-1D 3 nanocables. Crédito:Zahra Barani / UC Riverside
A medida que los dispositivos electrónicos saturan todos los rincones de la vida pública y personal, los ingenieros se esfuerzan por encontrar peso ligero, mecánicamente estable, flexible, y materiales de fácil fabricación que pueden proteger a los humanos de la radiación electromagnética excesiva y evitar que los dispositivos electrónicos interfieran entre sí.
En un informe revolucionario publicado en Materiales avanzados —La revista líder en el campo— ingenieros de la Universidad de California, Riverside describe una película flexible que utiliza un relleno de nanomaterial cuasi unidimensional que combina un excelente blindaje electromagnético con facilidad de fabricación.
"Estas películas novedosas son prometedoras para las tecnologías de comunicación de alta frecuencia, que requieren películas de blindaje contra interferencias electromagnéticas que sean flexibles, ligero, resistente a la corrosión, barato, y eléctricamente aislante, "dijo el autor principal Alexander A. Balandin, un distinguido profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Facultad de Ingeniería Marlan y Rosemary Bourns de UC Riverside. "Se acoplan fuertemente a la radiación de radiofrecuencia de alta frecuencia mientras permanecen eléctricamente aislantes en las mediciones de corriente continua".
Interferencia electromagnetica, o EMI, ocurre cuando las señales de diferentes dispositivos electrónicos se cruzan, afectando el rendimiento. La señal de un teléfono celular o una computadora portátil WiFi, o incluso una batidora de cocina, puede hacer que aparezca estática en la pantalla de un televisor, por ejemplo. Igualmente, Las aerolíneas instruyen a los pasajeros para que apaguen los teléfonos móviles durante el aterrizaje y el despegue porque sus señales pueden interrumpir las señales de navegación.
Los ingenieros aprendieron hace mucho tiempo que cualquier dispositivo eléctrico podría influir en el funcionamiento de un dispositivo cercano y desarrollaron materiales para proteger la electrónica de las señales interferentes. Pero ahora que los dispositivos electrónicos se han vuelto omnipresentes, pequeña, conectado de forma inalámbrica, y fundamental para innumerables servicios esenciales, Han proliferado las oportunidades y los riesgos de averías causadas por EMI. y los materiales de blindaje EMI convencionales son a menudo insuficientes. Más dispositivos electrónicos significan que los humanos también están expuestos a una mayor radiación electromagnética que en el pasado. Se necesitarán nuevos materiales de blindaje para la próxima generación de electrónica.
Balandin dirigió un equipo que desarrolló la síntesis escalable de compuestos con rellenos inusuales:paquetes exfoliados químicamente de materiales van der Waals cuasi unidimensionales. Los compuestos demostraron materiales de blindaje EMI excepcionales en los rangos de frecuencia de gigahercios y subterahercios, importante para las tecnologías de comunicación actuales y futuras, mientras permanece eléctricamente aislante.
El grafeno es el material de van der Waals más famoso. Es bidimensional porque es un plano de átomos fuertemente ligados. Muchos planos de grafeno débilmente acoplado por las fuerzas de van der Waals, Forme un cristal de grafito a granel. Durante muchos años, La investigación se centró específicamente en materiales de van der Waals en capas bidimensionales, que se exfolian en planos de átomos.
TaSe cuasi-1D 3 nanocables. Crédito:Zahra Barani / UC Riverside
Los materiales unidimensionales de van der Waals consisten en cadenas atómicas fuertemente unidas, en lugar de aviones, que están débilmente ligados por las fuerzas de van der Waals. Dichos materiales se exfolian en estructuras "unidimensionales" en forma de agujas en lugar de planos bidimensionales. El grupo Balandin realizó estudios pioneros de metales unidimensionales que demostraron sus propiedades inusuales. En el nuevo periódico el grupo Balandin informa que utiliza un proceso químico que podría ampliarse para la producción en masa de estos materiales unidimensionales.
La estudiante de doctorado Zahra Barani y Fariboz Kargar, un profesor de investigación y científico del proyecto con Phonon Optimized Engineered Materials de Balandin, o Centro POEM, sintetizó los compuestos únicos mediante el tratamiento de los tricalcogenuros de metales de transición, o TaSe 3 , un material de van der Waals en capas con una estructura cristalina cuasi-unidimensional, con productos químicos que hicieron que se desprenda como una aguja, nanocables de van der Waals cuasi-1D con relaciones de aspecto extremadamente grandes de hasta ~ 106, masivamente más largos que gruesos. En investigaciones anteriores, el grupo descubrió que los paquetes de TaSe cuasi-1D 3 Los hilos atómicos pueden soportar densidades de alta corriente.
"No había una receta estándar para la exfoliación de estos materiales. Hice muchos experimentos de prueba y error, mientras revisa la energía de escisión y otros parámetros importantes para exfoliarlos con alto rendimiento. Sabía que la clave es conseguir paquetes con la relación de aspecto más alta posible, ya que las ondas EM se acoplan mejor con hebras más largas y delgadas. Eso requirió microscopía óptica y caracterización por microscopía electrónica de barrido después de cada paso de exfoliación, ", dijo el primer autor Barani.
Los investigadores llenaron una matriz hecha de un polímero especial con haces de TaSe exfoliado. 3 para producir una delgada, película negra. Las películas compuestas sintetizadas, mientras permanece eléctricamente aislante, demostró un rendimiento excepcional en el bloqueo de ondas electromagnéticas. Los compuestos poliméricos con bajas cargas de cargas fueron especialmente eficaces.
"La eficacia del blindaje electromagnético de los compuestos se correlaciona con la relación de aspecto de los rellenos. Cuanto mayor sea la relación de aspecto, Cuanto menor sea la concentración de relleno necesaria para proporcionar un blindaje EM significativo, "Kargar dijo." Esto es beneficioso, ya que al reducir el contenido de carga se aprovecharían las propiedades inherentes de los polímeros, como el peso ligero y la flexibilidad. A este respecto, Puedo decir que esta clase de materiales son excepcionales una vez que se exfolian adecuadamente, controlando el grosor y la longitud ".
"En el final, Los tengo bien preparó un compuesto y midió las propiedades EMI. Los resultados fueron sorprendentes:sin conductividad eléctrica pero con más del 99,99% de blindaje EMI para películas micrométricas de espesor, "Añadió Barani.
Las cargas metálicas cuasi-1D van der Waals se pueden producir de forma económica y en grandes cantidades. Balandin dijo que la investigación sobre haces atómicos de materiales cuasi-1D van der Waals como conductores individuales, y los compuestos con tales materiales apenas están comenzando.
"Estoy seguro de que pronto veremos un gran progreso con los materiales cuasi-1D van der Waals, como sucedió con los materiales cuasi-2-D, " él dijo.
