Alors que les appareils électroniques saturent tous les coins de la vie publique et personnelle, les ingénieurs se bousculent pour trouver du poids léger, mécaniquement stable, souple, et des matériaux faciles à fabriquer qui peuvent protéger les humains contre les rayonnements électromagnétiques excessifs et empêcher les appareils électroniques d'interférer les uns avec les autres.

Dans un rapport révolutionnaire publié dans Matériaux avancés —la meilleure revue dans le domaine— des ingénieurs de l'Université de Californie, Riverside décrit un film flexible utilisant une charge de nanomatériau quasi-unidimensionnelle qui combine un excellent blindage électromagnétique avec une facilité de fabrication.

"Ces nouveaux films sont prometteurs pour les technologies de communication à haute fréquence, qui nécessitent des films de protection contre les interférences électromagnétiques qui sont flexibles, poids léger, résistant à la corrosion, peu coûteux, et isolant électriquement, " a déclaré l'auteur principal Alexander A. Balandin, éminent professeur de génie électrique et informatique au Marlan et Rosemary Bourns College of Engineering de l'UC Riverside. "Ils se couplent fortement au rayonnement radiofréquence haute fréquence tout en restant électriquement isolants dans les mesures de courant continu."

Interférence électromagnétique, ou EMI, se produit lorsque les signaux de différents appareils électroniques se croisent, affectant les performances. Le signal d'un téléphone portable ou d'un ordinateur portable WiFi, ou même un mixeur de cuisine, peut provoquer l'apparition d'électricité statique sur un écran de télévision, par exemple. De même, les compagnies aériennes demandent aux passagers d'éteindre les téléphones portables pendant l'atterrissage et le décollage, car leurs signaux peuvent perturber les signaux de navigation.

Les ingénieurs ont appris il y a longtemps que tout appareil électrique pouvait éventuellement influencer le fonctionnement d'un appareil à proximité et ont développé des matériaux pour protéger l'électronique des signaux parasites. Mais maintenant que les appareils électroniques sont devenus omniprésents, petit, connecté sans fil, et critique pour d'innombrables services essentiels, les opportunités et les risques de dysfonctionnements dus aux interférences électromagnétiques se sont multipliés, et les matériaux de blindage EMI conventionnels sont souvent insuffisants. Plus d'appareils électroniques signifient que les humains sont également exposés à un rayonnement électromagnétique plus important que par le passé. De nouveaux matériaux de blindage seront nécessaires pour la prochaine génération d'électronique.

Balandin a dirigé une équipe qui a développé la synthèse évolutive de composites avec des charges inhabituelles - des faisceaux chimiquement exfoliés de matériaux van der Waals quasi-unidimensionnels. Les composites ont démontré des matériaux de blindage EMI exceptionnels dans les gammes de fréquences gigahertz et sous-térahertz, important pour les technologies de communication actuelles et futures, tout en restant électriquement isolant.

Le graphène est le matériau van der Waals le plus connu. Il est bidimensionnel car c'est un plan d'atomes fortement liés. De nombreux plans de graphène, faiblement couplé par les forces de van der Waals, forment un cristal de graphite en vrac. Pendant de nombreuses années, la recherche s'est concentrée spécifiquement sur les matériaux van der Waals en couches bidimensionnelles, qui s'exfolient en plans d'atomes.

Les matériaux de van der Waals unidimensionnels sont constitués de chaînes atomiques fortement liées, plutôt que des avions, qui sont faiblement liés par les forces de van der Waals. De tels matériaux s'exfolient en structures "unidimensionnelles" en forme d'aiguille plutôt qu'en plans bidimensionnels. Le groupe Balandin a mené des études pionnières sur les métaux unidimensionnels démontrant leurs propriétés inhabituelles. Dans le nouveau journal, le groupe Balandin rapporte utiliser un procédé chimique qui pourrait être étendu pour la production en série de ces matériaux unidimensionnels.

Doctorante Zahra Barani et Fariboz Kargar, un professeur de recherche et scientifique de projet avec Phonon Optimized Engineered Materials de Balandin, ou Centre POEM, synthétisé les composites uniques en traitant les trichalcogénures de métaux de transition, ou TaSe 3 , un matériau de van der Waals stratifié avec une structure cristalline quasi-unidimensionnelle, avec des produits chimiques qui l'ont fait perdre en forme d'aiguille, nanofils de van der Waals quasi-1D avec des rapports d'aspect extrêmement grands allant jusqu'à ~ 106 - massivement plus longs qu'épais. Dans des recherches antérieures, le groupe a découvert que les faisceaux de TaSe quasi-1D 3 les threads atomiques peuvent supporter des densités de courant élevées.

"Il n'y avait pas de recette standard pour l'exfoliation de ces matériaux. J'ai fait de nombreuses expériences d'essais et d'erreurs, tout en vérifiant l'énergie de clivage et d'autres paramètres importants pour les exfolier avec un rendement élevé. Je savais que la clé était d'obtenir des packs avec un rapport hauteur/largeur aussi élevé que possible, puisque les ondes EM se couplent mieux avec des brins plus longs et plus fins. Cela nécessitait une caractérisation en microscopie optique et en microscopie électronique à balayage après chaque étape d'exfoliation, " a déclaré le premier auteur Barani.

Les chercheurs ont rempli une matrice faite d'un polymère spécial avec des faisceaux de TaSe exfolié 3 produire une mince, pellicule noire. Les films composites synthétisés, tout en restant isolant électriquement, démontré des performances exceptionnelles dans le blocage des ondes électromagnétiques. Les composites polymères avec de faibles charges de charges étaient particulièrement efficaces.

"L'efficacité du blindage électromagnétique des composites est corrélée au rapport d'aspect des charges. Plus le rapport d'aspect est élevé, plus la concentration de charge nécessaire pour fournir un blindage électromagnétique significatif est faible, " dit Kargar. " C'est bénéfique, car en abaissant la teneur en charge, on profiterait des propriétés inhérentes des polymères telles que la légèreté et la flexibilité. À cet égard, Je peux dire que cette classe de matériaux est exceptionnelle une fois qu'ils sont bien exfoliés, contrôler l'épaisseur et la longueur.

"À la fin, Je les ai bien compris, préparé un composite et mesuré les propriétés EMI. Les résultats sont bluffants :pas de conductivité électrique mais plus de 99,99% de blindage EMI pour des couches micrométriques d'épaisseur, " ajouta Barani.

Les charges métalliques quasi-1D van der Waals peuvent être produites à peu de frais et en grandes quantités. Balandin a déclaré que la recherche sur les faisceaux atomiques de matériaux de van der Waals quasi-1D en tant que conducteurs individuels, et composites avec de tels matériaux ne fait que commencer.

"Je suis sûr que nous verrons bientôt beaucoup de progrès avec les matériaux quasi-1D van der Waals, comme cela s'est produit avec les matériaux quasi-2-D, " il a dit.