I motori elettrici e i dispositivi elettronici generano campi elettromagnetici che a volte devono essere schermati per non influenzare i componenti elettronici vicini o la trasmissione dei segnali. I campi elettromagnetici ad alta frequenza possono essere schermati solo con gusci conduttivi chiusi su tutti i lati. Spesso vengono utilizzate lamiere sottili o lamine metallizzate per questo scopo. Però, per molte applicazioni tale scudo è troppo pesante o troppo poco adattabile alla data geometria. La soluzione ideale sarebbe una luce, materiale flessibile e durevole con un'efficacia schermante estremamente elevata.

Aerogel contro le radiazioni elettromagnetiche

Una svolta in questo settore è stata ora raggiunta da un gruppo di ricerca guidato da Zhihui Zeng e Gustav Nyström. I ricercatori stanno usando nanofibre di cellulosa come base per un aerogel, che è una luce, materiale altamente poroso. Le fibre di cellulosa sono ottenute dal legno e, per la loro struttura chimica, consentire una vasta gamma di modifiche chimiche. Sono quindi un oggetto di ricerca molto popolare. Il fattore cruciale nella lavorazione e modifica di queste nanofibre di cellulosa è riuscire a produrre determinate microstrutture in modo definito e interpretare gli effetti ottenuti. Queste relazioni tra struttura e proprietà sono il vero campo di ricerca del team di Nyström all'Empa.

I ricercatori sono riusciti a produrre un composito di nanofibre di cellulosa e nanofili d'argento, e quindi ha creato strutture sottili ultraleggere che forniscono un'eccellente schermatura contro le radiazioni elettromagnetiche. L'effetto del materiale è impressionante:con una densità di soli 1,7 milligrammi per centimetro cubo, l'aerogel di cellulosa rinforzato con argento raggiunge una schermatura di oltre 40 dB nella gamma di frequenza delle radiazioni radar ad alta risoluzione (da 8 a 12 GHz) - in altre parole:praticamente tutte le radiazioni in questa gamma di frequenza vengono intercettate dal materiale.

I cristalli di ghiaccio controllano la forma

Non solo la corretta composizione dei fili di cellulosa e argento è determinante per l'effetto schermante, ma anche la struttura dei pori del materiale. All'interno dei pori, i campi elettromagnetici vengono riflessi avanti e indietro e inoltre innescano campi elettromagnetici nel materiale composito, che contrastano il campo incidente. Per creare pori di dimensione e forma ottimali, i ricercatori versano il materiale in stampi preraffreddati e lo lasciano congelare lentamente. La crescita dei cristalli di ghiaccio crea la struttura dei pori ottimale per smorzare i campi.

Con questo metodo di produzione, l'effetto di smorzamento può anche essere specificato in diverse direzioni spaziali:se il materiale si congela nello stampo dal basso verso l'alto, l'effetto di smorzamento elettromagnetico è più debole in direzione verticale. Nella direzione orizzontale, cioè perpendicolare alla direzione di congelamento:l'effetto di smorzamento è ottimizzato. Le strutture schermanti realizzate in questo modo sono altamente flessibili:anche dopo essere state piegate avanti e indietro mille volte, l'effetto di smorzamento è praticamente lo stesso del materiale originale. L'assorbimento desiderato può anche essere facilmente regolato aggiungendo più o meno nanofili d'argento al composito, nonché dalla porosità dell'aerogel colato e dallo spessore dello strato colato.

Lo schermo elettromagnetico più leggero al mondo

In un altro esperimento, i ricercatori hanno rimosso i nanofili d'argento dal materiale composito e hanno collegato le loro nanofibre di cellulosa con nanopiastre bidimensionali di carburo di titanio, che sono stati prodotti utilizzando uno speciale processo di incisione. Le nanopiastre agiscono come "mattoni" duri che sono uniti tra loro con "malta" flessibile in fibre di cellulosa. Anche questa formulazione è stata congelata in forme raffreddate in modo mirato. In relazione al peso del materiale, nessun altro materiale può ottenere tale schermatura. Questo classifica l'aerogel di nanocellulosa di carburo di titanio come di gran lunga il materiale di schermatura elettromagnetica più leggero al mondo.