Electrospun nanomateriaal biedt uitstekende bescherming tegen elektromagnetische interferentie

Ingenieurs hebben “electrospinning”, een nieuwe techniek voor het vervaardigen van nanomaterialen, gebruikt om een ​​nieuwe stof te produceren die hoogwaardige bescherming biedt tegen elektromagnetische interferentie, een fenomeen dat kan leiden tot defecten aan elektronische apparaten en bij hoge blootstellingsniveaus de menselijke gezondheid kan schaden.

De techniek wordt beschreven in een paper gepubliceerd in Nano-onderzoek op 31 december 2022.

Elektrische en magnetische velden die door elektrische apparatuur worden gegenereerd, kunnen digitale systemen zowel intern als extern negatief beïnvloeden. Een dergelijke storing kan leiden tot gevaarlijke storingen als dergelijke apparaten dicht bij elkaar werken, met name in het geval van transport of medische apparatuur zoals pacemakers en insulinepompen. Deze interferentie kan niet alleen invloed hebben op elektronische apparaten, maar kan bij zeer hoge niveaus gedurende korte perioden ook een risico vormen voor de menselijke biologie, die deels gebruik maakt van bio-elektromagnetische processen.

Om al deze redenen wordt er veel energie gestoken in het afschermen van mensen, apparaten en onderdelen van apparaten tegen elektromagnetische interferentie. Om te voorkomen dat apparaten, met name draagbare apparaten, te lomp en zwaar worden, moet een dergelijke afscherming ook licht en flexibel zijn.

Sinds de jaren zestig is een dergelijke afscherming gericht op het gebruik van metaaldraadweefsels, metaaldraad gemengd met chemische vezels en verzilvering. De hoge kosten en slechte flexibiliteit vormden echter grote belemmeringen voor de wijdverbreide acceptatie van dergelijke elektromagnetische beschermende weefsels.

Meer recentelijk, en grotendeels dankzij de behoeften aan elektromagnetische afscherming van militaire stealth-technologieën, zijn nieuwe op koolstof gebaseerde materialen, van grafeen tot koolstof-aerogels en koolstofnanobuisjes, met groot succes toegepast in verschillende toepassingen voor elektromagnetische absorptie en afscherming. Dankzij de speciale structuren van deze materialen, op microscopische schaal en op nanoschaal, die voornamelijk afhankelijk zijn van verstrooiing en reflectie van straling tussen lagen, evenals elektronenoverdracht, om een ​​hoge verzwakking van elektromagnetische golven te bereiken. Ze profiteren ook van hun hoge elektrische geleidbaarheid en oppervlak, lichtgewicht, flexibiliteit en ecologische duurzaamheid.

Speciale gaasstructuurcomposieten, geconstrueerd door zogenaamde eendimensionale materialen (uitzonderlijk dunne linten of draden tussen 1 en 100 nanometer lang en effectief geen breedte) te combineren met tweedimensionale materialen (vergelijkbaar dunne materialen maar bestaand in vlakke vorm, zoals een extreem dun stuk papier), hebben bijzonder uitstekende absorptie- en afschermingseigenschappen voor elektromagnetische golven.

“Maar zelfs hier is het integreren van meerdere functies, zoals bescherming tegen elektromagnetische golven, duurzaamheid en comfort met behoud van de inherente flexibiliteit van stoffen, een enorme uitdaging gebleven”, zegt Shuo Zhang, hoofdauteur van het artikel en onderzoeker bij het State Key Laboratory of Biofibers. en ecotextiel, College of Materials Science and Engineering aan de Qingdao University.

In de afgelopen jaren is echter een reeks tweedimensionale gelaagde structuren gemaakt van carbiden (elke verbinding van koolstof en een metaal) en nitriden (elke anorganische verbinding van stikstof) begonnen de aandacht te trekken van onderzoekers op het gebied van elektromagnetische afscherming. Deze 2D-materialen worden MXenes genoemd, omdat ze zijn gemaakt van “MAX” -stoffen, waarbij de M staat voor een vroeg overgangsmetaal zoals titanium, vanadium en chroom; de A staat voor elk van de Groep A-elementen in het periodiek systeem, zoals aluminium, silicium en tin; en de X staat voor koolstof of stikstof. Het achtervoegsel “ene” is er om een ​​nanostructurele gelijkenis met grafeen te suggereren.

Meestal zijn deze MXenes geproduceerd via een proces van etsen door een MAX-substantie onder te dompelen in fluorwaterstofzuur. Hun 2D-gelaagde structuur biedt vele opties voor interne reflectie, evenals een superieure efficiëntie van elektronenoverdracht, een groot oppervlak en mechanische eigenschappen, die allemaal een uitstekende absorptie van elektromagnetische golven opleveren.

De best presterende MXene tot nu toe heeft een “reflectieverlies” prestatie behaald van -41,8 decibel op 1,1 milimeter.

De onderzoekers dachten dat ze dit konden overtreffen door andere fabricagemethoden dan etsen te onderzoeken, en keken naar elektrospinning. Dit is een techniek om extreem smalle vezels op nanoschaal te vervaardigen. Een oplossing die het gewenste materiaal bevat, wordt in een injectiespuit gehouden met een naald erop en vervolgens zorgt een hoogspanningsbron ervoor dat elektrische lading zich verzamelt op het oppervlak van de vloeistof. Op een gegeven moment overschrijdt de elektrostatische afstoting tussen ladingen de oppervlaktespanning van de oplossing. Dit produceert een extreem fijne straal van de vloeistof, die opdroogt terwijl deze uit de spuit spuit en zich nog verder uitstrekt door elektrostatische afstoting.

Electrospinning-technologie biedt ook een van de eenvoudigste en goedkoopste manieren om nanovezels te maken, en is ook eenvoudig te bedienen.

De microstructuur, diameter, oriëntatie en stapeldichtheid van de vezels verkregen door elektrospinnen kunnen ook worden aangepast door de procesparameters te wijzigen. Door magnetische metaalelementen toe te voegen aan de oplossing van de elektrospinning-precursor, na de elektrospinning en een thermische behandeling bij hoge temperatuur, produceren de resulterende nanovezelcomposietmembranen een aanzienlijk magnetisch verlies dat de prestaties van de elektromagnetische golfverzwakking aanzienlijk verbetert.

De onderzoekers elektrosponnen een nieuwe composiet van tweedimensionale MXene-nanosheets gecombineerd met magnetische ijzer- en nikkelnanodeeltjes, evenals eendimensionale koolstofnanovezels (CNF’s). Het multidimensionale samengestelde elektromagnetische beschermende weefsel verkregen door elektrospinning vermijdt effectief een agglomeratie van 1D-structuren en een zelfstapeling van 2D-structuren – uitdagingen die eerder in het verleden vervaardigd MXene elektromagnetisch absorbermateriaal hebben bemoeilijkt – terwijl de kosten worden verlaagd en de moeilijkheid van verwerking wordt geëlimineerd .

Hun materiaal versloeg inderdaad de vorige best presterende, met een elektromagnetische absorptieprestatie van -54,1 decibel bij 2,7 mm, terwijl het een hoge flexibiliteit en een lichtgewicht waterdichtheid biedt die een superieure duurzaamheid biedt aan de beschermende stof in ruwe omgevingen.