Alors que nous accueillons la technologie sans fil dans plus de domaines de la vie, l'agitation électronique supplémentaire crée un voisinage électromagnétiquement bruyant. Dans l'espoir de limiter le trafic supplémentaire, des chercheurs de l'Université Drexel ont testé des matériaux bidimensionnels connus pour leurs capacités de blocage des interférences. Leur dernière découverte, rapporté dans le journal Science , est de la capacité de blindage exceptionnelle d'un nouveau matériau bidimensionnel qui peut absorber les interférences électromagnétiques plutôt que de simplement se retourner dans la mêlée.

Le matériel, appelé carbonitrure de titane, fait partie d'une famille de matériaux bidimensionnels, appelé MXenes, qui ont été produits pour la première fois chez Drexel en 2011. Les chercheurs ont révélé que ces matériaux ont un certain nombre de propriétés exceptionnelles, y compris une force impressionnante, haute conductivité électrique et capacités de filtration moléculaire. Le trait exceptionnel du carbonitrure de titane est qu'il peut bloquer et absorber les interférences électromagnétiques plus efficacement que n'importe quel matériau connu, y compris les feuilles métalliques actuellement utilisées dans la plupart des appareils électroniques.

"Cette découverte brise toutes les barrières qui existaient dans le domaine du blindage électromagnétique. Elle révèle non seulement un matériau de blindage qui fonctionne mieux que le cuivre, mais il montre aussi un passionnant, nouvelle physique émergente, comme nous voyons des matériaux bidimensionnels discrets interagir avec le rayonnement électromagnétique d'une manière différente que les métaux en vrac, " dit Yury Gogotsi, Doctorat., Distingué Université et professeur Bach au Drexel's College of Engineering, qui a dirigé le groupe de recherche qui a fait cette découverte MXene, qui comprenait également des scientifiques de l'Institut coréen des sciences et de la technologie, et les étudiants du partenariat coopératif de Drexel avec l'Institut.

Alors que les interférences électromagnétiques - "EMI" pour les ingénieurs et les technologues - ne sont que rarement remarquées par les utilisateurs de la technologie, probablement comme un bourdonnement provenant d'un microphone ou d'un haut-parleur, c'est une préoccupation constante des ingénieurs qui la conçoivent. Les éléments avec lesquels EMI interfère sont d'autres composants électriques, tels que les antennes et les circuits. Il diminue les performances électriques, peut ralentir les taux d'échange de données et peut même interrompre le fonctionnement des appareils.

Les concepteurs et ingénieurs en électronique ont tendance à utiliser des matériaux de blindage pour contenir et dévier les EMI dans les appareils, soit en recouvrant l'ensemble du circuit imprimé d'une cage en cuivre, ou, plus récemment en enveloppant des composants individuels dans une feuille de blindage. Mais ces deux stratégies ajoutent du volume et du poids aux appareils.

Le groupe de Gogotsi a découvert que ses matériaux MXene, qui sont beaucoup plus minces et plus légers que le cuivre, peut être assez efficace pour le blindage EMI. Leurs découvertes, rapporté dans Science il y a quatre ans, a indiqué qu'un MXene appelé carbure de titane a montré le potentiel d'être aussi efficace que les matériaux standard de l'industrie à l'époque, et il pourrait être facilement appliqué comme revêtement. Cette recherche est rapidement devenue l'une des découvertes les plus percutantes dans le domaine et a inspiré d'autres chercheurs à examiner d'autres matériaux pour le blindage EMI.

Mais comme les équipes Drexel et KIST ont continué à inspecter d'autres membres de la famille pour cette application, ils ont découvert les qualités uniques du carbonitrure de titane qui en font un candidat encore plus prometteur pour les applications de blindage EMI.

"Le carbonitrure de titane a une structure très similaire par rapport au carbure de titane - ils sont en fait identiques à part le remplacement de la moitié de ses atomes de carbone par des atomes d'azote - mais le carbonitrure de titane est d'un ordre de grandeur moins conducteur, " a déclaré Kanit Hantanasirisakul, doctorant au Département de science et génie des matériaux de Drexel. "Nous voulions donc acquérir une compréhension fondamentale des effets de la conductivité et de la composition élémentaire sur l'application de blindage EMI."

Grâce à une série de tests, le groupe a fait une découverte surprenante. À savoir, qu'un film du matériau de carbonitrure de titane - beaucoup plus mince que l'épaisseur d'un cheveu humain - pourrait en fait bloquer les interférences EMI environ 3 à 5 fois plus efficacement qu'une épaisseur similaire de feuille de cuivre, qui est généralement utilisé dans les appareils électroniques.

« Il est important de noter que nous ne nous attendions pas au départ à ce que le carbonitrure de titane MXene soit meilleur par rapport au plus conducteur de tous les MXene connus :le carbure de titane, " a déclaré Hantanasirisakul. "Nous avons d'abord pensé qu'il pourrait y avoir quelque chose qui ne va pas avec les mesures ou les calculs. Donc, nous avons répété les expériences encore et encore pour nous assurer que nous faisions tout correctement et que les valeurs étaient reproductibles."

Peut-être plus important que la découverte par l'équipe des prouesses de blindage du matériau est sa nouvelle compréhension de son fonctionnement. La plupart des matériaux de blindage EMI empêchent simplement la pénétration des ondes électromagnétiques en les réfléchissant. Bien que cela soit efficace pour protéger les composants, cela n'atténue pas le problème global de la propagation des interférences électromagnétiques dans l'environnement. Le groupe de Gogotsi a découvert que le carbonitrure de titane bloque en fait les EMI en absorbant les ondes électromagnétiques.

"C'est un moyen beaucoup plus durable de gérer la pollution électromagnétique que de simplement réfléchir des ondes qui peuvent encore endommager d'autres appareils qui ne sont pas blindés, " a déclaré Hantanasirisakul. "Nous avons constaté que la plupart des ondes sont absorbées par les films de carbonitrure en couches MXene. C'est comme faire la différence entre jeter les déchets hors de votre chemin ou les ramasser, c'est finalement une bien meilleure solution."

Cela signifie également que le carbonitrure de titane pourrait être utilisé pour revêtir individuellement des composants à l'intérieur d'un appareil afin de contenir leur EMI même lorsqu'ils sont placés étroitement ensemble. Des entreprises comme Apple tentent cette stratégie de confinement depuis plusieurs années, mais avec un succès limité par l'épaisseur de la feuille de cuivre. Alors que les concepteurs d'appareils s'efforcent de les rendre omniprésents en les rendant plus petits, moins perceptible et plus intégré, cette stratégie est susceptible de devenir la nouvelle norme.

Les chercheurs soupçonnent que le caractère unique du carbonitrure de titane est dû à ses couches, structure poreuse, qui permet aux EMI de pénétrer partiellement dans le matériau, et sa composition chimique, qui piège et dissipe l'EMI. Cette combinaison de caractéristiques émerge au sein du matériau lorsqu'il est chauffé dans une étape finale de formation, appelé recuit.

"C'était une découverte contre-intuitive. L'efficacité du blindage EMI augmente généralement avec la conductivité électrique. Nous savions que le traitement thermique peut augmenter la conductivité, nous avons donc essayé avec le carbonitrure de titane pour voir si cela améliorerait sa capacité de protection. Ce que nous avons découvert, c'est qu'il n'améliorait que marginalement sa conductivité, mais a considérablement augmenté son efficacité de blindage, " a déclaré Gogotsi. " Ce travail nous motive, et devrait motiver les autres sur le terrain, étudier les propriétés et les applications d'autres MXenes, car ils peuvent montrer des performances encore meilleures en dépit d'être moins électriquement conducteurs."

L'équipe Drexel a élargi son champ d'action et a déjà examiné les capacités de blindage EMI de 16 matériaux MXene différents, soit environ la moitié de tous les MXene produits dans son laboratoire. Elle prévoit de poursuivre ses investigations sur le carbonitrure de titane pour mieux comprendre son comportement électromagnétique unique, dans l'espoir de prédire les capacités cachées dans d'autres matériaux.