Blokkeren van radiogolven en elektromagnetische interferentie met een schakelaar

Onderzoekers van de Drexel University’s College of Engineering hebben een dunne-filmapparaat ontwikkeld, vervaardigd door spraycoating, dat elektromagnetische straling kan blokkeren met een druk op de knop. De doorbraak, mogelijk gemaakt door veelzijdige tweedimensionale materialen genaamd MXenes, zou de prestaties van elektronische apparaten kunnen aanpassen, draadloze verbindingen kunnen versterken en mobiele communicatie kunnen beveiligen tegen inbraak.

Het team, geleid door Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University en Bach-professor aan Drexel’s College of Engineering, toonde eerder aan dat de tweedimensionale gelaagde MXene-materialen, iets meer dan tien jaar geleden ontdekt, in combinatie met een elektrolytoplossing kunnen worden omgezet in een krachtig actief schild tegen elektromagnetische golven.

Deze nieuwste MXene-ontdekking, gerapporteerd in Natuur Nanotechnologielaat zien hoe deze afscherming kan worden afgesteld wanneer een kleine spanning – minder dan die geproduceerd door een alkalinebatterij – wordt toegepast.

“Dynamische controle van elektromagnetische golfstoring is een belangrijke technologische uitdaging geweest voor het beschermen van elektronische apparaten die werken op gigahertz-frequenties en een verscheidenheid aan andere communicatietechnologieën, ” zei Gogotsi.

“Aangezien het aantal draadloze apparaten dat in de industriële en particuliere sector wordt gebruikt de afgelopen tien jaar met ordes van grootte is toegenomen, is de urgentie van deze uitdaging dienovereenkomstig toegenomen. Dit is de reden waarom onze ontdekking – die het effect van elektromagnetische interferentie op dynamische wijze zou verminderen”. deze apparaten kunnen een brede impact hebben.”

MXene is een uniek materiaal omdat het zeer geleidend is, waardoor het perfect geschikt is voor het weerkaatsen van microgolfstraling die statische elektriciteit of feedback kan veroorzaken of de prestaties van communicatieapparatuur kan verminderen, maar de interne chemische structuur kan ook tijdelijk worden gewijzigd om deze elektromagnetische golven passeren.

Dit betekent dat een dunne laag op een apparaat of elektrische componenten verhindert dat ze zowel elektromagnetische golven uitzenden als door andere elektronica worden gepenetreerd. Het elimineren van de mogelijkheid van interferentie van zowel interne als externe bronnen kan de prestaties van het apparaat garanderen, maar sommige golven moeten kunnen worden verlaten en ingevoerd wanneer het wordt gebruikt voor communicatie.

“Zonder de eb en vloed van elektromagnetische golven in en rond een apparaat te kunnen beheersen, lijkt het een beetje op een lekkende kraan – je draait het water niet echt dicht en dat constante druppelen is niet goed”, zei Gogotsi. “Onze afscherming zorgt ervoor dat de leidingen bij wijze van spreken strak zijn – er lekt geen elektromagnetische straling naar buiten of komt erin totdat we het apparaat willen gebruiken.”

De sleutel tot het opwekken van bidirectionele afstembaarheid van de afschermingseigenschap van MXene is het gebruik van de stroom en uitdrijving van ionen om afwisselend de ruimte tussen de materiaallagen uit te breiden en te comprimeren, zoals een accordeon, en om de oppervlaktechemie van MXenes te veranderen.

Met een kleine spanning op de film komen ionen de MXene-lagen binnen – of intercaleren – tussen de MXene-lagen, waardoor de lading van hun oppervlak verandert en elektrostatische aantrekking wordt veroorzaakt, wat dient om de laagafstand, de geleidbaarheid en afschermingsefficiëntie van het materiaal te veranderen. Wanneer de ionen worden gedeïntercaleerd, terwijl de stroom wordt uitgeschakeld, keren de MXene-lagen terug naar hun oorspronkelijke staat.

Het team testte 10 verschillende MXene-elektrolyt-combinaties, die elk via een verfspuit werden aangebracht in een laag die ongeveer 30 tot 100 keer dunner was dan een mensenhaar. De materialen toonden consequent de dynamische afstembaarheid van afschermingsefficiëntie bij het blokkeren van microgolfstraling, wat onmogelijk is voor traditionele metalen zoals koper en staal. En het apparaat hield de prestaties gedurende meer dan 500 laad-ontlaadcycli vol.

“Deze resultaten geven aan dat de MXene-films kunnen worden omgezet van elektromagnetische interferentieafscherming naar quasi-elektromagnetische golftransmissie door elektrochemische oxidatie van MXenes”, schreven Gogotsi en zijn co-auteurs. “De MXene-film kan mogelijk dienen als een dynamische EMI-afschermingsschakelaar.”

Voor beveiligingstoepassingen suggereert Gogotsi dat de MXene-afscherming apparaten zou kunnen verbergen voor detectie door radar of andere traceersystemen. Het team testte ook het potentieel van een eenrichtingsafschermingsschakelaar. Hierdoor zou een apparaat ondetecteerbaar en beschermd blijven tegen ongeautoriseerde toegang totdat het wordt ingezet voor gebruik.

“Een eenrichtingsschakelaar zou de beveiliging kunnen openen en een signaal kunnen verzenden of communicatie kunnen openen in een noodgeval of op het gewenste moment”, zei Gogotsi. “Dit betekent dat het communicatieapparatuur kan beschermen tegen beïnvloeding of manipulatie totdat het in gebruik is. Het kan bijvoorbeeld het apparaat omsluiten tijdens transport of opslag en vervolgens pas activeren wanneer het klaar is voor gebruik.”

De volgende stap voor het team van Gogotsi is het onderzoeken van aanvullende MXene-elektrolytcombinaties en mechanismen om de afscherming te verfijnen om een ​​sterkere modulatie van elektromagnetische golftransmissie en dynamische aanpassing te bereiken om straling op verschillende bandbreedtes te blokkeren.