Poiché accogliamo con favore la tecnologia wireless in più aree della vita, il trambusto elettronico aggiuntivo sta creando un quartiere elettromagneticamente rumoroso. Nella speranza di limitare il traffico extra, i ricercatori della Drexel University hanno testato materiali bidimensionali noti per le loro capacità di blocco delle interferenze. La loro ultima scoperta, riportato sul giornale Scienza , è dell'eccezionale capacità di schermatura di un nuovo materiale bidimensionale in grado di assorbire le interferenze elettromagnetiche anziché limitarsi a deviare nella mischia.

Il materiale, chiamato carbonitruro di titanio, fa parte di una famiglia di materiali bidimensionali, chiamato MXenes, che sono stati prodotti per la prima volta a Drexel nel 2011. I ricercatori hanno rivelato che questi materiali hanno una serie di proprietà eccezionali, compresa una forza impressionante, elevata conducibilità elettrica e capacità di filtrazione molecolare. La caratteristica eccezionale del carbonitruro di titanio è che può bloccare e assorbire le interferenze elettromagnetiche in modo più efficace di qualsiasi materiale noto, comprese le lamine metalliche attualmente utilizzate nella maggior parte dei dispositivi elettronici.

"Questa scoperta rompe tutte le barriere che esistevano nel campo della schermatura elettromagnetica. Non solo rivela un materiale di schermatura che funziona meglio del rame, ma ma mostra anche un emozionante, nuova fisica emergente, come vediamo i materiali bidimensionali discreti interagiscono con la radiazione elettromagnetica in modo diverso rispetto ai metalli sfusi, " ha detto Yury Gogotsi, dottorato di ricerca, Distinguished University e professore di Bach al Drexel's College of Engineering, che ha guidato il gruppo di ricerca che ha fatto questa scoperta MXene, che comprendeva anche scienziati del Korea Institute of Science and Technology, e studenti della collaborazione di Drexel con l'Istituto.

Mentre l'interferenza elettromagnetica - "EMI" per ingegneri e tecnici - viene notata solo raramente dagli utenti della tecnologia, probabilmente come un ronzio da un microfono o da un altoparlante, è una preoccupazione costante per gli ingegneri che lo progettano. Le cose con cui l'EMI interferisce sono altri componenti elettrici, come antenne e circuiti. Diminuisce le prestazioni elettriche, può rallentare la velocità di scambio dei dati e può anche interrompere il funzionamento dei dispositivi.

I progettisti e gli ingegneri elettronici tendono a utilizzare materiali di schermatura per contenere e deviare le interferenze elettromagnetiche nei dispositivi, o coprendo l'intero circuito con una gabbia di rame, o, più recentemente avvolgendo i singoli componenti in una schermatura in lamina. Ma entrambe queste strategie aggiungono volume e peso ai dispositivi.

Il gruppo di Gogotsi ha scoperto che i suoi materiali MXene, che sono molto più sottili e leggeri del rame, può essere molto efficace nella schermatura EMI. Le loro scoperte, riportato su Science quattro anni fa, ha indicato che un MXene chiamato carburo di titanio ha mostrato il potenziale per essere efficace quanto i materiali standard del settore all'epoca, e potrebbe essere facilmente applicato come rivestimento. Questa ricerca è diventata rapidamente una delle scoperte di maggior impatto nel campo e ha ispirato altri ricercatori a esaminare altri materiali per la schermatura EMI.

Ma poiché i team Drexel e KIST hanno continuato a ispezionare altri membri della famiglia per questa applicazione, hanno scoperto le qualità uniche del carbonitruro di titanio che lo rendono un candidato ancora più promettente per le applicazioni di schermatura EMI.

"Il carbonitruro di titanio ha una struttura molto simile rispetto al carburo di titanio - in realtà sono identici a parte uno che sostituisce metà dei suoi atomi di carbonio con atomi di azoto - ma il carbonitruro di titanio è circa un ordine di grandezza meno conduttivo, " disse Kanit Hantanasirisakul, un dottorando nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali di Drexel. "Quindi volevamo acquisire una comprensione fondamentale degli effetti della conduttività e della composizione elementare sull'applicazione della schermatura EMI".

Attraverso una serie di prove, il gruppo ha fatto una scoperta sorprendente. Vale a dire, che un film del materiale di carbonitruro di titanio, molte volte più sottile dello spessore di una ciocca di capelli umani, potrebbe effettivamente bloccare l'interferenza EMI circa 3-5 volte più efficacemente di uno spessore simile di un foglio di rame, che è tipicamente utilizzato nei dispositivi elettronici.

"È importante notare che inizialmente non ci aspettavamo che il carbonitruro di titanio MXene fosse migliore rispetto al più conduttivo di tutti i MXene conosciuti:carburo di titanio, "Hantanasirisakul ha detto. "Prima abbiamo pensato che potesse esserci qualcosa di sbagliato nelle misurazioni o nei calcoli. Così, abbiamo ripetuto gli esperimenti più e più volte per assicurarci di aver fatto tutto correttamente e che i valori fossero riproducibili".

Forse più significativo della scoperta da parte del team dell'abilità di schermatura del materiale è la loro nuova comprensione del modo in cui funziona. La maggior parte dei materiali di schermatura EMI impedisce semplicemente la penetrazione delle onde elettromagnetiche riflettendole. Sebbene questo sia efficace per proteggere i componenti, non allevia il problema generale della propagazione delle EMI nell'ambiente. Il gruppo di Gogotsi ha scoperto che il carbonitruro di titanio in realtà blocca l'EMI assorbendo le onde elettromagnetiche.

"Questo è un modo molto più sostenibile per gestire l'inquinamento elettromagnetico rispetto al semplice riflesso di onde che possono comunque danneggiare altri dispositivi che non sono schermati, "Hantanasirisakul ha detto. "Abbiamo scoperto che la maggior parte delle onde sono assorbite dai film stratificati di carbonitruro MXene. È come la differenza tra buttare via i rifiuti o raccoglierli:questa è in definitiva una soluzione molto migliore".

Ciò significa anche che il carbonitruro di titanio potrebbe essere utilizzato per rivestire individualmente i componenti all'interno di un dispositivo per contenere la loro EMI anche mentre vengono posizionati a stretto contatto. Aziende come Apple hanno provato questa strategia di contenimento per diversi anni, ma con successo limitato dallo spessore della lamina di rame. Poiché i progettisti di dispositivi si sforzano di renderli onnipresenti rendendoli più piccoli, meno evidente e più integrato, questa strategia rischia di diventare la nuova norma.

I ricercatori sospettano che l'unicità del carbonitruro di titanio sia dovuta ai suoi strati, struttura porosa, che consente all'EMI di penetrare parzialmente nel materiale, e la sua composizione chimica, che intrappola e dissipa l'EMI. Questa combinazione di caratteristiche emerge all'interno del materiale quando viene riscaldato in una fase finale di formazione, chiamato ricottura.

"È stata una scoperta controintuitiva. L'efficacia della schermatura EMI in genere aumenta con la conduttività elettrica. Sapevamo che il trattamento termico può aumentare la conduttività, quindi l'abbiamo provato con il carbonitruro di titanio per vedere se migliorava la sua capacità di schermatura. Quello che abbiamo scoperto è che ha migliorato solo marginalmente la sua conduttività, ma ha notevolmente potenziato la sua efficacia schermante, " Gogotsi ha detto. "Questo lavoro ci motiva, e dovrebbe motivare gli altri nel campo, per esaminare le proprietà e le applicazioni di altri MXene, in quanto possono mostrare prestazioni ancora migliori nonostante siano meno conduttive elettricamente."

Il team Drexel ha ampliato la sua portata e ha già esaminato le capacità di schermatura EMI di 16 diversi materiali MXene, circa la metà di tutti gli MXene prodotti nel suo laboratorio. Ha in programma di continuare le sue indagini sul carbonitruro di titanio per comprendere meglio il suo comportamento elettromagnetico unico, nella speranza di prevedere abilità nascoste in altri materiali.