À medida que acolhemos a tecnologia sem fio em mais áreas da vida, a agitação eletrônica adicional está criando uma vizinhança eletromagneticamente barulhenta. Na esperança de limitar o tráfego extra, pesquisadores da Drexel University testaram materiais bidimensionais conhecidos por suas habilidades de bloqueio de interferência. Sua última descoberta, relatado no jornal Ciência , tem a capacidade de blindagem excepcional de um novo material bidimensional que pode absorver interferência eletromagnética em vez de apenas desviar de volta para a batalha.

O material, chamado carbonitreto de titânio, faz parte de uma família de materiais bidimensionais, chamado MXenes, que foram produzidos pela primeira vez na Drexel em 2011. Os pesquisadores revelaram que esses materiais têm uma série de propriedades excepcionais, incluindo força impressionante, alta condutividade elétrica e capacidade de filtração molecular. A característica excepcional do carbonitreto de titânio é que ele pode bloquear e absorver a interferência eletromagnética de forma mais eficaz do que qualquer material conhecido, incluindo as folhas de metal usadas atualmente na maioria dos dispositivos eletrônicos.

"Esta descoberta quebra todas as barreiras que existiam no campo de blindagem eletromagnética. Ela não apenas revela um material de blindagem que funciona melhor do que o cobre, mas também mostra um empolgante, nova física emergindo, como vemos materiais bidimensionais discretos interagir com a radiação eletromagnética de uma maneira diferente dos metais a granel, "disse Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University e Bach professor na Drexel's College of Engineering, que liderou o grupo de pesquisa que fez esta descoberta MXene, que também incluiu cientistas do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia, e alunos da parceria cooperativa da Drexel com o Instituto.

Embora a interferência eletromagnética - "EMI" para engenheiros e tecnólogos - seja percebida raramente pelos usuários de tecnologia, provavelmente como um zumbido de um microfone ou alto-falante, é uma preocupação constante para os engenheiros que o projetam. As coisas com as quais a EMI está interferindo são outros componentes elétricos, como antenas e circuitos. Diminui o desempenho elétrico, pode diminuir as taxas de troca de dados e pode até interromper o funcionamento dos dispositivos.

Os designers e engenheiros de eletrônicos tendem a usar materiais de proteção para conter e desviar EMI em dispositivos, cobrindo toda a placa de circuito com uma gaiola de cobre, ou, mais recentemente, envolvendo componentes individuais em blindagem de folha. Mas ambas as estratégias adicionam volume e peso aos dispositivos.

O grupo de Gogotsi descobriu que seus materiais MXene, que são muito mais finos e leves que o cobre, pode ser bastante eficaz na blindagem EMI. Suas descobertas, relatado na Science há quatro anos, indicou que um MXene chamado carboneto de titânio mostrou o potencial de ser tão eficaz quanto os materiais padrão da indústria na época, e pode ser facilmente aplicado como revestimento. Essa pesquisa rapidamente se tornou uma das descobertas mais impactantes no campo e inspirou outros pesquisadores a olhar para outros materiais para blindagem EMI.

Mas como as equipes Drexel e KIST continuaram a inspecionar outros membros da família para esta aplicação, eles descobriram as qualidades únicas do carbonitreto de titânio que o tornam um candidato ainda mais promissor para aplicações de blindagem EMI.

"O carbonitreto de titânio tem uma estrutura muito semelhante em comparação ao carboneto de titânio - eles são realmente idênticos, exceto por substituir metade de seus átomos de carbono por átomos de nitrogênio - mas o carbonitreto de titânio é cerca de uma ordem de magnitude menos condutivo, "disse Kanit Hantanasirisakul, doutorando no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Drexel. "Portanto, queríamos obter uma compreensão fundamental dos efeitos da condutividade e da composição elementar na aplicação de blindagem EMI."

Por meio de uma série de testes, o grupo fez uma descoberta surpreendente. Nomeadamente, que um filme do material de carbonitreto de titânio - muitas vezes mais fino do que a espessura de um fio de cabelo humano - poderia realmente bloquear a interferência EMI cerca de 3-5 vezes mais efetivamente do que uma espessura semelhante de folha de cobre, que é normalmente usado em dispositivos eletrônicos.

"É importante notar que inicialmente não esperávamos que o carbonitreto de titânio MXene fosse melhor em comparação com o mais condutor de todos os MXenes conhecidos:carboneto de titânio, "Hantanasirisakul disse." Primeiro pensamos que poderia haver algo errado com as medidas ou os cálculos. Então, repetimos os experimentos inúmeras vezes para ter certeza de que fizemos tudo corretamente e que os valores eram reproduzíveis. "

Talvez mais significativo do que a descoberta da equipe da capacidade de blindagem do material é sua nova compreensão de como ele funciona. A maioria dos materiais de blindagem EMI simplesmente evita a penetração das ondas eletromagnéticas refletindo-as. Embora isso seja eficaz para proteger os componentes, não alivia o problema geral de propagação de EMI no ambiente. O grupo de Gogotsi descobriu que o carbonitreto de titânio na verdade bloqueia a EMI ao absorver as ondas eletromagnéticas.

"Esta é uma maneira muito mais sustentável de lidar com a poluição eletromagnética do que simplesmente refletir ondas que ainda podem danificar outros dispositivos que não são blindados, "Hantanasirisakul disse." Descobrimos que a maioria das ondas são absorvidas pelos filmes de carbonitreto MXene em camadas. É como a diferença entre chutar o lixo para fora do caminho ou pegá-lo - esta é, em última análise, uma solução muito melhor. "

Isso também significa que o carbonitreto de titânio pode ser usado para revestir individualmente os componentes dentro de um dispositivo para conter seu EMI, mesmo quando eles estão sendo colocados próximos uns dos outros. Empresas como a Apple vêm tentando essa estratégia de contenção há vários anos, mas com sucesso limitado pela espessura da folha de cobre. À medida que os designers de dispositivos se esforçam para torná-los onipresentes, tornando-os menores, menos perceptível e mais integrado, essa estratégia provavelmente se tornará a nova norma.

Os pesquisadores suspeitam que a singularidade do carbonitreto de titânio se deve às suas camadas, estrutura porosa, que permite que EMI penetre parcialmente no material, e sua composição química, que intercepta e dissipa o EMI. Essa combinação de características surge dentro do material quando ele é aquecido em uma etapa final de formação, chamado recozimento.

"Foi uma descoberta contra-intuitiva. A eficácia da blindagem EMI normalmente aumenta com a condutividade elétrica. Sabíamos que o tratamento térmico pode aumentar a condutividade, então tentamos isso com o carbonitreto de titânio para ver se ele melhoraria sua capacidade de blindagem. O que descobrimos é que melhorou apenas marginalmente sua condutividade, mas aumentou enormemente sua eficácia de proteção, "Disse Gogotsi." Este trabalho nos motiva, e deve motivar outras pessoas no campo, para olhar as propriedades e aplicações de outros MXenes, pois podem apresentar um desempenho ainda melhor, apesar de serem menos condutores elétricos. "

A equipe da Drexel tem expandido seu escopo e já examinou os recursos de blindagem EMI de 16 materiais MXene diferentes - cerca de metade de todos os MXenes produzidos em seu laboratório. Ela planeja continuar sua investigação de carbonitreto de titânio para entender melhor seu comportamento eletromagnético único, na esperança de prever habilidades ocultas em outros materiais.