Les moteurs électriques et les appareils électroniques génèrent des champs électromagnétiques qui doivent parfois être blindés afin de ne pas affecter les composants électroniques voisins ou la transmission des signaux. Les champs électromagnétiques à haute fréquence ne peuvent être protégés qu'avec des coques conductrices fermées de tous les côtés. Souvent, des tôles minces ou des feuilles métallisées sont utilisées à cette fin. Cependant, pour de nombreuses applications un tel bouclier est trop lourd ou trop peu adaptable à la géométrie donnée. La solution idéale serait une lumière, matériau flexible et durable avec une efficacité de blindage extrêmement élevée.

Aérogels contre le rayonnement électromagnétique

Une percée dans ce domaine a maintenant été réalisée par une équipe de recherche dirigée par Zhihui Zeng et Gustav Nyström. Les chercheurs utilisent des nanofibres de cellulose comme base d'un aérogel, qui est une lumière, matériau très poreux. Les fibres de cellulose sont obtenues à partir du bois et, en raison de leur structure chimique, permettent un large éventail de modifications chimiques. Ils sont donc un objet de recherche très prisé. Le facteur crucial dans le traitement et la modification de ces nanofibres de cellulose est de pouvoir produire certaines microstructures d'une manière définie et d'interpréter les effets obtenus. Ces relations entre structure et propriétés sont le domaine même de la recherche de l'équipe de Nyström à l'Empa.

Les chercheurs ont réussi à produire un composite de nanofibres de cellulose et de nanofils d'argent, et ainsi créé des structures fines ultra-légères qui offrent une excellente protection contre le rayonnement électromagnétique. L'effet du matériau est impressionnant :avec une densité de seulement 1,7 milligramme par centimètre cube, l'aérogel de cellulose renforcée d'argent atteint un blindage de plus de 40 dB dans la plage de fréquences du rayonnement radar haute résolution (8 à 12 GHz) - en d'autres termes :pratiquement tout le rayonnement dans cette plage de fréquences est intercepté par le matériau.

Les cristaux de glace contrôlent la forme

Non seulement la composition correcte des fils de cellulose et d'argent est décisive pour l'effet de blindage, mais aussi la structure poreuse du matériau. Dans les pores, les champs électromagnétiques sont réfléchis dans les deux sens et déclenchent en outre des champs électromagnétiques dans le matériau composite, qui contrecarrent le champ incident. Pour créer des pores de taille et de forme optimales, les chercheurs versent le matériau dans des moules pré-refroidis et le laissent geler lentement. La croissance des cristaux de glace crée la structure de pores optimale pour amortir les champs.

Avec cette méthode de fabrication, l'effet d'amortissement peut même être spécifié dans différentes directions spatiales :si le matériau gèle dans le moule de bas en haut, l'effet d'amortissement électromagnétique est plus faible dans le sens vertical. Dans le sens horizontal, c'est-à-dire perpendiculaire à la direction de congélation - l'effet d'amortissement est optimisé. Les structures de blindage coulées de cette manière sont très flexibles :même après avoir été mille fois courbées, l'effet d'amortissement est pratiquement le même qu'avec le matériau d'origine. L'absorption souhaitée peut même être facilement ajustée en ajoutant plus ou moins de nanofils d'argent au composite, ainsi que par la porosité de l'aérogel coulé et l'épaisseur de la couche coulée.

Le bouclier électromagnétique le plus léger au monde

Dans une autre expérience, les chercheurs ont retiré les nanofils d'argent du matériau composite et connecté leurs nanofibres de cellulose à des nanoplaques bidimensionnelles de carbure de titane, qui ont été produites à l'aide d'un procédé de gravure spécial. Les nanoplaques agissent comme des « briques » dures qui sont reliées entre elles par un « mortier » flexible fait de fibres de cellulose. Cette formulation a également été congelée sous formes réfrigérées de manière ciblée. Par rapport au poids du matériel, aucun autre matériau ne peut réaliser un tel blindage. Cela classe l'aérogel de nanocellulose de carbure de titane comme de loin le matériau de blindage électromagnétique le plus léger au monde.