Des chercheurs de l'Université Drexel ont démontré que le MXene peut être un produit hautement efficace, poids léger, blindage à faible volume pour protéger les appareils électroniques des interférences électromagnétiques. Crédit :Université Drexel
Si vous avez déjà entendu votre moteur tourner dans votre radio en écoutant une station AM dans votre voiture, ou si votre téléviseur a fait un bourdonnement lorsque votre téléphone portable est à proximité, alors vous avez subi des interférences électromagnétiques. Ce phénomène, causés par les ondes radio, peut provenir de tout ce qui crée, transporte ou utilise un courant électrique, y compris les câbles de télévision et Internet, et, bien sûr les téléphones portables et les ordinateurs. Un groupe de chercheurs de l'Université Drexel et de l'Institut coréen des sciences et technologies travaille à nettoyer cette pollution électromagnétique en contenant les émissions avec une fine couche d'un nanomatériau appelé MXene.
Le rayonnement électromagnétique est partout, c'est le cas depuis le début de l'univers. Mais la prolifération de l'électronique au cours des dernières décennies a contribué à la fois au volume de rayonnement généré sur notre planète et à sa perceptibilité.
"Au fur et à mesure que la technologie évolue et que l'électronique devient plus légère, plus rapide et plus petit, leurs interférences électromagnétiques augmentent considérablement, " dit Babak Anasori, Doctorat, professeur assistant de recherche à l'A.J. Institut Drexel des nanomatériaux, et co-auteur de l'article "Electromagnetic Interference Shielding with 2D Transition Metal Carbides (MXenes), " qui a été récemment publié dans la revue Science . "Le bruit électromagnétique interne provenant de différentes pièces électroniques peut avoir un effet grave sur les appareils de tous les jours tels que les téléphones portables, tablettes et ordinateurs portables, entraînant des dysfonctionnements et une dégradation globale de l'appareil."
Ces effets vont d'un moniteur temporaire au "flou, " bourdonnement étrange d'un appareil Bluetooth, à une lenteur de la vitesse de traitement d'un appareil mobile. Le blindage contre les interférences électromagnétiques comprend généralement l'enveloppement de l'intérieur des appareils avec un carénage ou une cage d'un métal conducteur comme le cuivre ou l'aluminium, ou une couche d'encre métallique. Et bien que cela soit efficace, cela ajoute également du poids à l'appareil et est considéré comme une restriction quant à la taille de l'appareil pouvant être conçu.
"En général, un blindage adéquat peut être obtenu en utilisant des métaux épais, cependant, la consommation de matériaux et le poids les désavantagent pour une utilisation dans les applications aérospatiales et de télécommunications, " dit Anasori. " Par conséquent, il est très important d'obtenir une meilleure protection avec des films plus fins."
Des chercheurs de l'Université Drexel ont développé un nanomatériau, appelé MXene, qui pourraient potentiellement être utilisés dans des appareils électroniques pour bloquer et isoler les ondes électromagnétiques. Crédit :Université Drexel
Leurs résultats suggèrent que quelques atomes de carbure de titane mince, l'un des 20 matériaux bidimensionnels de la famille MXene découverts par les scientifiques de l'Université Drexel, peut être plus efficace pour bloquer et contenir les interférences électromagnétiques, avec l'avantage supplémentaire d'être extrêmement mince et facilement appliqué dans un revêtement simplement en le pulvérisant sur n'importe quelle surface, comme de la peinture.
« Avec la technologie qui avance si vite, nous nous attendons à ce que les appareils intelligents aient plus de capacités et deviennent plus petits chaque jour. Cela signifie emballer plus de pièces électroniques dans un appareil et plus d'appareils qui nous entourent, " dit Yury Gogotsi, Doctorat, Distinguished University and Trustee Chair professeur au College of Engineering et directeur de l'A.J. Nanomaterials Institute qui a proposé l'idée et dirigé cette recherche. "Pour que tous ces composants électroniques fonctionnent sans interférer les uns avec les autres, nous avons besoin de boucliers minces, léger et facile à appliquer sur des appareils de différentes formes et tailles. Nous pensons que MXenes sera la prochaine génération de matériaux de blindage pour portables, électronique flexible et portable."
Les chercheurs ont testé des échantillons de films MXene d'une épaisseur allant de quelques micromètres (un millième de millimètre) à 45 micromètres, qui est légèrement plus fin qu'un cheveu humain. Ceci est important car l'efficacité de blindage d'un matériau, une mesure de la capacité d'un matériau à empêcher le rayonnement électromagnétique de le traverser, tend à augmenter avec son épaisseur, et aux fins de cette recherche, l'équipe essayait d'identifier l'itération la plus mince d'un matériau de blindage qui pourrait encore bloquer efficacement le rayonnement.
Ce qu'ils ont découvert, c'est que le film le plus fin de MXene est en concurrence avec les feuilles de cuivre et d'aluminium en ce qui concerne l'efficacité du blindage. Et en augmentant l'épaisseur du MXene à 8 micromètres, ils pourraient atteindre 99,9999% de blocage du rayonnement avec des fréquences couvrant la gamme des téléphones portables aux radars.
Par rapport à d'autres matériaux synthétiques, comme le graphène ou les fibres de carbone, l'échantillon mince de MXene s'est beaucoup mieux comporté. En réalité, pour atteindre les exigences commerciales de blindage électromagnétique, les composites carbone-polymère actuellement utilisés devraient avoir plus d'un millimètre d'épaisseur, ce qui ajouterait un peu de poids à un appareil comme un iPhone, qui ne fait que sept millimètres d'épaisseur.
MXene est suffisamment polyvalent pour être combiné à une solution polymère afin de créer une fine couche de pulvérisation pour les composants électroniques qui servirait de bouclier contre les interférences électromagnétiques. Crédit :Université Drexel
La clé des performances de MXene réside dans sa conductivité électrique élevée et sa structure bidimensionnelle. Selon les auteurs, lorsque des ondes électromagnétiques entrent en contact avec MXene, certains sont immédiatement réfléchis par sa surface, tandis que d'autres traversent la surface mais perdent de l'énergie au milieu des couches atomiquement minces du matériau. Les ondes électromagnétiques de plus faible énergie sont finalement réfléchies dans les deux sens par les couches internes jusqu'à ce qu'elles soient complètement absorbées dans la structure.
Un autre résultat, that already portends MXene's usefulness in protecting wearable devices, is that its shielding effectiveness is just as stout when it is combined with a polymer to make a composite coating. Et, on weight basis, it even outperforms pure copper.
"This finding is significant since several commercial requirements for an electromagnetic interference shield product are engrained in a single material, " Gogotsi said. "MXene displays many of these characteristics, including high shielding effectiveness, low density, small thickness, high flexibility and simple processing. So it is an excellent candidate for use in numerous applications."
This technological development resulted from a fundamental study of MXene properties, which was funded by the National Science Foundation. The next step for the research team will be to find support for a broader study on other MXenes, selecting the best shielding material and testing it in devices.
