Poiché i dispositivi elettronici saturano tutti gli angoli della vita pubblica e personale, gli ingegneri si affannano per trovare leggerezza, meccanicamente stabile, flessibile, e materiali di facile fabbricazione che possono schermare gli esseri umani da radiazioni elettromagnetiche eccessive e impedire che i dispositivi elettronici interferiscano l'uno con l'altro.

In un rapporto rivoluzionario pubblicato su Materiale avanzato —la rivista più importante del settore— ingegneri dell'Università della California, Riverside descrive un film flessibile che utilizza un riempitivo nanomateriale quasi unidimensionale che combina un'eccellente schermatura elettromagnetica con facilità di fabbricazione.

"Questi nuovi film sono promettenti per le tecnologie di comunicazione ad alta frequenza, che richiedono pellicole di schermatura dalle interferenze elettromagnetiche flessibili, leggero, resistente alla corrosione, poco costoso, ed elettricamente isolanti, " ha detto l'autore senior Alexander A. Balandin, un illustre professore di ingegneria elettrica e informatica presso il Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering di UC Riverside. "Si accoppiano fortemente alle radiazioni a radiofrequenza ad alta frequenza pur rimanendo elettricamente isolanti nelle misurazioni in corrente continua".

Interferenza elettromagnetica, o EMI, si verifica quando segnali provenienti da diversi dispositivi elettronici si incrociano, che influenzano le prestazioni. Il segnale da un telefono cellulare o un laptop WiFi, o anche un frullatore da cucina, potrebbe causare la comparsa di elettricità statica sullo schermo di una TV, Per esempio. Allo stesso modo, le compagnie aeree ordinano ai passeggeri di spegnere i cellulari durante l'atterraggio e il decollo perché i loro segnali possono disturbare i segnali di navigazione.

Gli ingegneri hanno appreso molto tempo fa che qualsiasi dispositivo elettrico potrebbe influenzare il funzionamento di un dispositivo vicino e hanno sviluppato materiali per schermare l'elettronica dai segnali di interferenza. Ma ora che i dispositivi elettronici sono diventati onnipresenti, piccolo, connesso senza fili, e fondamentale per innumerevoli servizi essenziali, le opportunità e i rischi di malfunzionamenti causati da EMI sono proliferati, e i materiali di schermatura EMI convenzionali sono spesso insufficienti. Più dispositivi elettronici significano anche che gli esseri umani sono esposti a radiazioni elettromagnetiche maggiori rispetto al passato. Saranno necessari nuovi materiali di schermatura per la prossima generazione di elettronica.

Balandin ha guidato un team che ha sviluppato la sintesi scalabile di compositi con riempitivi insoliti, fasci esfoliati chimicamente di materiali van der Waals quasi unidimensionali. I compositi hanno dimostrato eccezionali materiali di schermatura EMI nelle gamme di frequenza gigahertz e sub-terahertz, importante per le tecnologie di comunicazione attuali e future, pur rimanendo elettricamente isolante.

Il grafene è il materiale van der Waals più famoso. È bidimensionale perché è un piano di atomi fortemente legati. Molti piani di grafene, debolmente accoppiato dalle forze di van der Waals, costituiscono un grosso cristallo di grafite. Per molti anni, la ricerca si è concentrata specificamente sui materiali van der Waals stratificati bidimensionali, che esfoliano in piani di atomi.

I materiali unidimensionali di van der Waals sono costituiti da catene atomiche fortemente legate, piuttosto che aerei, che sono debolmente legati dalle forze di van der Waals. Tali materiali esfoliano in strutture "unidimensionali" simili ad aghi piuttosto che in piani bidimensionali. Il gruppo Balandin ha condotto studi pionieristici sui metalli unidimensionali dimostrando le loro proprietà insolite. Nel nuovo giornale, il gruppo Balandin riferisce di utilizzare un processo chimico che potrebbe essere ampliato per la produzione di massa di questi materiali unidimensionali.

Dottorando Zahra Barani e Fariboz Kargar, un professore di ricerca e scienziato del progetto con i materiali ingegnerizzati ottimizzati Phonon di Balandin, o Centro POESIA, sintetizzato i compositi unici trattando i tricalcogenuri di metalli di transizione, o TaSe ₃ , un materiale van der Waals stratificato con una struttura cristallina quasi unidimensionale, con sostanze chimiche che l'hanno fatto rilasciare aghiformi, nanofili van der Waals quasi-1D con proporzioni estremamente grandi fino a ~106, massicciamente più lunghe che spesse. In precedenti ricerche, il gruppo ha scoperto che i fasci di TaSe . quasi-1D ₃ i thread atomici possono supportare densità di corrente elevate.

"Non esisteva una ricetta standard per l'esfoliazione di questi materiali. Ho fatto molti esperimenti per tentativi ed errori, controllando l'energia di scollatura e altri parametri importanti per esfoliarli con un'elevata resa. Sapevo che la chiave è ottenere bundle con proporzioni più elevate possibile, poiché le onde EM si accoppiano meglio con fili più lunghi e più sottili. Ciò ha richiesto la caratterizzazione al microscopio ottico e al microscopio elettronico a scansione dopo ogni fase di esfoliazione, " ha detto il primo autore Barani.

I ricercatori hanno riempito una matrice costituita da uno speciale polimero con fasci di TaSe . esfoliato ₃ per produrre un sottile, pellicola nera. I film compositi sintetizzati, pur rimanendo elettricamente isolante, dimostrato prestazioni eccezionali nel bloccare le onde elettromagnetiche. I compositi polimerici con bassi carichi dei riempitivi sono stati particolarmente efficaci.

"L'efficacia della schermatura elettromagnetica dei compositi è correlata al rapporto di aspetto dei riempitivi. Maggiore è il rapporto di aspetto, minore è la concentrazione di riempitivo necessaria per fornire una schermatura EM significativa, " ha detto Kargar. "Questo è vantaggioso, poiché abbassando il contenuto di carica si trarrebbero vantaggio dalle proprietà intrinseche dei polimeri come leggerezza e flessibilità. A questo proposito, Posso dire che questa classe di materiali è eccezionale una volta esfoliata correttamente, controllando lo spessore e la lunghezza."

"Alla fine, li ho azzeccati, preparato un composito e misurato le proprietà EMI. I risultati sono stati sorprendenti:nessuna conduttività elettrica ma oltre il 99,99% di schermatura EMI per film spessi micrometri, " ha aggiunto Barani.

I riempitivi metallici van der Waals quasi-1D possono essere prodotti in modo economico e in grandi quantità. Balandin ha affermato che la ricerca sui fasci atomici di materiali van der Waals quasi-1D come conduttori individuali, e compositi con tali materiali è solo all'inizio.

"Sono sicuro che presto vedremo molti progressi con i materiali van der Waals quasi 1D, come è successo con i materiali quasi-2-D, " Egli ha detto.