Elektrogesponnenes Nanomaterial bietet hervorragenden Schutz vor elektromagnetischen Störungen

Ingenieure haben „Elektrospinning“, eine neue Technik zur Herstellung von Nanomaterialien, eingesetzt, um einen neuartigen Stoff herzustellen, der einen Hochleistungsschutz gegen elektromagnetische Interferenzen bietet, ein Phänomen, das zu Fehlfunktionen elektronischer Geräte führen und bei hoher Exposition die menschliche Gesundheit schädigen kann.

Die Technik ist in einem Artikel beschrieben, der in veröffentlicht wurde Nanoforschung am 31. Dezember 2022.

Elektrische und magnetische Felder, die von elektrischen Geräten erzeugt werden, können digitale Systeme entweder intern oder extern negativ beeinflussen. Solche Störungen können zu gefährlichen Fehlfunktionen führen, wenn solche Geräte nahe beieinander betrieben werden, insbesondere bei Transportmitteln oder medizinischen Geräten wie Herzschrittmachern und Insulinpumpen. Diese Störungen können nicht nur elektronische Geräte betreffen, sondern in kurzzeitig sehr hohen Pegeln auch die menschliche Biologie gefährden, die sich zum Teil bioelektromagnetische Prozesse zunutze macht.

Aus all diesen Gründen werden große Anstrengungen unternommen, um Menschen, Geräte und Geräteteile vor elektromagnetischen Störungen abzuschirmen. Um zu vermeiden, dass Geräte – insbesondere tragbare – übermäßig sperrig und schwer werden, muss eine solche Abschirmung auch leicht und flexibel sein.

Seit den 1960er Jahren konzentriert sich eine solche Abschirmung auf die Verwendung von Metalldrahtgeweben, mit chemischen Fasern gemischtem Metalldraht und Versilberung. Die hohen Kosten und die geringe Flexibilität waren jedoch Haupthindernisse für eine weitverbreitete Akzeptanz solcher elektromagnetischer Schutzgewebe.

In jüngerer Zeit und vor allem dank der elektromagnetischen Abschirmungsanforderungen militärischer Stealth-Technologien wurden neuartige kohlenstoffbasierte Materialien von Graphen bis hin zu Kohlenstoffaerogelen und Kohlenstoffnanoröhren mit großem Erfolg in verschiedenen elektromagnetischen Absorptions- und Abschirmungsanwendungen eingesetzt. Dank der speziellen Strukturen dieser Materialien im mikroskopischen und im Nanobereich, die hauptsächlich auf Streuung und Reflexion von Strahlung zwischen Schichten sowie auf Elektronenübertragung beruhen, um eine hohe Dämpfung elektromagnetischer Wellen zu erreichen. Sie profitieren auch von ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit und Oberfläche, ihrem geringen Gewicht, ihrer Flexibilität und ihrer Umweltverträglichkeit.

Verbundwerkstoffe mit spezieller Maschenstruktur, die durch Kombination sogenannter eindimensionaler Materialien (außerordentlich dünne Bänder oder Drähte zwischen 1 und 100 Nanometer Länge und praktisch keiner Breite) mit zweidimensionalen Materialien (ähnlich dünne Materialien, die jedoch in planarer Form vorliegen, wie z extrem dünnes Stück Papier), haben besonders gute Absorptions- und Abschirmungseigenschaften für elektromagnetische Wellen.

„Aber selbst hier ist die Integration mehrerer Funktionen wie Schutz vor elektromagnetischen Wellen, Haltbarkeit und Komfort bei gleichzeitiger Beibehaltung der inhärenten Flexibilität von Stoffen eine gewaltige Herausforderung geblieben“, sagte Shuo Zhang, Hauptautor des Papiers und Forscher am State Key Laboratory of Biofibers und Eco-Textiles, College of Materials Science and Engineering an der Qingdao University.

In den letzten Jahren hat jedoch eine Reihe von zweidimensionalen Schichtstrukturen aus Karbiden (jede beliebige Verbindung aus Kohlenstoff und einem Metall) und Nitriden (jede anorganische Verbindung aus Stickstoff) begonnen, die Aufmerksamkeit der Forscher für elektromagnetische Abschirmung auf sich zu ziehen. Diese 2D-Materialien werden MXene genannt, da sie aus „MAX“-Substanzen hergestellt werden, wobei das M für ein frühes Übergangsmetall wie Titan, Vanadium und Chrom steht; das A steht für eines der Elemente der Gruppe A im Periodensystem wie Aluminium, Silizium und Zinn; und das X steht für Kohlenstoff oder Stickstoff. Das Suffix „ene“ soll eine nanostrukturelle Ähnlichkeit mit Graphen suggerieren.

Typischerweise wurden diese MXene durch Ätzen durch Eintauchen einer MAX-Substanz in Flusssäure hergestellt. Ihre 2D-Schichtstruktur bietet viele Optionen für die interne Reflexion sowie eine hervorragende Elektronenübertragungseffizienz, eine große Oberfläche und mechanische Eigenschaften, die alle eine hervorragende Absorption elektromagnetischer Wellen liefern.

Die bisher leistungsstärkste MXene hat eine „Reflexionsdämpfung“-Leistung von -41,8 Dezibel bei 1,1 Millimetern erreicht.

Die Forscher dachten, sie könnten dies übertreffen, indem sie andere Herstellungsmethoden als das Ätzen untersuchten, und wandten sich dem Elektrospinnen zu. Dies ist eine Technik zur Herstellung extrem schmaler Fasern im Nanobereich. Eine Lösung, die das gewünschte Material enthält, wird in einer Spritze mit einer Nadel gehalten, und dann ermöglicht eine Hochspannungsstromquelle, dass sich elektrische Ladung auf der Oberfläche der Flüssigkeit ansammelt. An einem bestimmten Punkt übersteigt die elektrostatische Abstoßung zwischen Ladungen die Oberflächenspannung der Lösung. Dadurch entsteht ein extrem feiner Flüssigkeitsstrahl, der beim Herausspritzen aus der Spritze trocknet und sich durch elektrostatische Abstoßung noch weiter ausdehnt.

Die Elektrospinning-Technologie bietet auch eine der einfachsten und billigsten Möglichkeiten zur Herstellung von Nanofasern und ist zudem unkompliziert in der Anwendung.

Mikrostruktur, Durchmesser, Orientierung und Stapeldichte der durch Elektrospinnen gewonnenen Fasern lassen sich ebenfalls durch Veränderung der Prozessparameter einstellen. Durch Hinzufügen magnetischer Metallelemente zu der Elektrospinning-Vorläuferlösung nach dem Elektrospinnen und einer thermischen Hochtemperaturbehandlung erzeugen die resultierenden Nanofaser-Verbundmembranen signifikante magnetische Verluste, die die Dämpfungsleistung elektromagnetischer Wellen signifikant verbessern.

Die Forscher haben einen neuartigen Verbundstoff aus zweidimensionalen MXene-Nanoblättern in Kombination mit magnetischen Eisen- und Nickel-Nanopartikeln sowie eindimensionalen Kohlenstoff-Nanofasern (CNFs) elektrogesponnen. Das durch Elektrospinnen erhaltene mehrdimensionale elektromagnetische Verbundstoff-Schutzgewebe vermeidet effektiv eine Agglomeration von 1D-Strukturen und eine Selbststapelung von 2D-Strukturen – Herausforderungen, die in der Vergangenheit hergestelltes früheres elektromagnetisches Absorbermaterial von MXene heimgesucht haben – und senkt gleichzeitig die Kosten und beseitigt die Schwierigkeiten bei der Verarbeitung .

Ihr Material übertraf in der Tat den bisherigen Best-Performer und erreichte eine elektromagnetische Absorptionsleistung von -54,1 Dezibel bei 2,7 mm, während es gleichzeitig eine hohe Flexibilität und eine leichte Imprägnierung bietet, die dem Schutzgewebe in rauen Umgebungen eine überlegene Haltbarkeit verleiht.