La comunicazione a microonde è onnipresente nel mondo moderno, con onde elettromagnetiche nell'intervallo di decine di gigahertz che forniscono una trasmissione efficiente con un'ampia larghezza di banda per collegamenti dati tra satelliti in orbita attorno alla Terra e stazioni di terra. Tale comunicazione wireless ad altissima frequenza è ora così comune, con conseguente affollamento delle bande spettrali allocate ai diversi canali di comunicazione, che le interferenze e la compatibilità elettromagnetica (EMC) sono serie preoccupazioni.

Le regole che regolano la compatibilità elettromagnetica impongono che le nuove apparecchiature soddisfino requisiti rigorosi relativi alla schermatura a microonde di componenti e sistemi. Questo sta guidando la ricerca di nuovi materiali da utilizzare come strati di rivestimento, schermi e filtri nei futuri dispositivi nanoelettronici.

La schermatura dei dispositivi elettronici con una barriera che riflette semplicemente la radiazione a microonde in arrivo sposta altrove il problema dell'inquinamento elettromagnetico. L'obiettivo della ricerca è quindi lo sviluppo di rivestimenti EMC che assorbono anziché riflettere le microonde, con un'enfasi pratica su strati di spessore inferiore al millesimo di millimetro.

Un team di fisici guidato da Philippe Lambin dell'Université de Namur in Belgio ha scoperto che un aereo di grafene può fornire un efficace scudo assorbente contro le microonde. I risultati dello studio, i cui principali contributori sono Konstantin Batrakov e Polina Kuzhir, entrambi dall'Università statale bielorussa di Minsk, sono pubblicati sulla rivista Rapporti scientifici . Tutti e otto gli autori fanno parte del Flagship Graphene, un consorzio di partner accademici e industriali che si concentra sulla necessità per l'Europa di affrontare le grandi sfide scientifiche e tecnologiche attraverso progetti a lungo termine, sforzi di ricerca multidisciplinari.

Lambin e i suoi colleghi hanno dimostrato che la conduttività di diversi strati di grafene si somma aritmeticamente quando sottili distanziatori polimerici li separano. Il massimo assorbimento delle microonde nella banda di comunicazione Ka tra 26,5 e 40 GHz è ottenuto con sei piani di grafene separati da strati di polimetilmetacrilato (PMMA), una plastica trasparente nota anche come vetro acrilico.

Le barriere a microonde multistrato costruite dai ricercatori della Joensuu University in Finlandia iniziano con un primo strato di grafene depositato su un substrato di lamina di rame mediante deposizione chimica da vapore. Questo strato viene poi ricoperto con un distanziatore in PMMA da 600-800 nanometri ottenuto per spin coating, in seguito il rame viene asportato con cloruro ferrico, e l'eterostruttura grafene/PMMA trasferita su un substrato di quarzo. La procedura viene ripetuta fino a raggiungere il numero richiesto di strati di grafene.

Un singolo strato di grafene può assorbire fino al 25% della radiazione a microonde incidente, che è molto per un materiale dello spessore di un atomo. Con una disposizione multistrato grafene/PMMA, l'assorbimento sale al 50%. Questo può essere compreso analizzando la trasmissione e la riflessione di un'onda piana all'interfaccia tra due mezzi dielettrici, quando l'interfaccia contiene uno strato conduttore infinitamente sottile. In questo modo, i ricercatori sono stati in grado di ottimizzare le loro strutture grafene-PMMA per il massimo assorbimento, con i risultati confermati da rigorosi test elettromagnetici.

Inoltre, note Lambin, c'è l'interfaccia tra il materiale di schermatura e l'aria da considerare...

"Abbiamo scoperto che la conduttività statica del grafene è vicina al valore che mette in relazione i campi magnetico ed elettrico in qualsiasi radiazione elettromagnetica che si propaga nell'aria. Grazie a questa felice coincidenza, il grafene è un materiale ideale per assorbire le onde radio, proteggendo così i dispositivi elettronici sensibili."

L'idea di utilizzare multistrati grafene/dielettrico per l'assorbimento delle onde elettromagnetiche non è nuova. Per esempio, alcuni anni fa è stata pubblicata una proposta teorica per un multistrato assorbente a banda ultra larga operante nella regione dei terahertz, molto più alto della banda di comunicazione Ka discussa qui.

Uno scudo terahertz multistrato sarebbe un affare complesso, con i suoi piani di grafene modellati su scala micron per generare risonanze plasmoniche superficiali - oscillazioni negli elettroni che si propagano lungo le interfacce tra diversi strati di materiale. La barriera a microonde ideata dal team Graphene Flagship è relativamente semplice in confronto, con vantaggi in termini di fabbricazione e scalabilità.

Nelle applicazioni del mondo reale, i multistrati di grafene/PMMA richiedono protezione contro agenti chimici e meccanici esterni. Il substrato di quarzo dovrebbe quindi essere rivolto verso l'esterno, ed essere combinato con un materiale più morbido. La scelta e lo spessore del materiale di rivestimento utilizzato sono parametri aggiuntivi che influenzeranno l'assorbanza delle microonde.

La scalabilità del processo aumenterà considerevolmente se si depositano pile di grafene a pochi strati in un unico passaggio, invece di accumulare monostrati di grafene con le loro navette in PMMA. Inoltre, qualsiasi processo che aumenti la conduttività del grafene ridurrà il numero di piani atomici necessari per massimizzare il livello di assorbimento delle microonde.