نظرًا لأن الأجهزة الإلكترونية تشبع جميع جوانب الحياة العامة والشخصية ، فإن المهندسين يتدافعون للعثور على مواد خفيفة الوزن ومستقرة ميكانيكيًا ومرنة وسهلة التصنيع يمكنها حماية البشر من الإشعاع الكهرومغناطيسي المفرط وكذلك منع الأجهزة الإلكترونية من التداخل مع بعضها البعض.

في تقرير اختراق نشر في المواد المتقدمةوصف المهندسون في جامعة كاليفورنيا ريفرسايد فيلمًا مرنًا باستخدام مادة حشو شبه أحادية البعد من المواد النانوية تجمع بين التدريع الكهرومغناطيسي الممتاز وسهولة التصنيع.

قال المؤلف الكبير ألكسندر أ. بالاندين ، وهو أستاذ متميز في الهندسة الكهربائية والكمبيوتر: "هذه الأفلام الجديدة واعدة لتقنيات الاتصالات عالية التردد ، والتي تتطلب أغشية حماية من التداخل الكهرومغناطيسي تكون مرنة وخفيفة الوزن ومقاومة للتآكل وغير مكلفة وعازلة للكهرباء" الهندسة في كلية مارلان وروزماري بورنز للهندسة بجامعة كاليفورنيا في ريفرسايد. "إنهم يقترنون بقوة بإشعاع الترددات الراديوية عالي التردد بينما يظلون عازلين كهربائيًا في قياسات التيار المباشر."

يحدث التداخل الكهرومغناطيسي ، أو EMI ، عندما تعبر إشارات من أجهزة إلكترونية مختلفة بعضها البعض ، مما يؤثر على الأداء. قد تتسبب الإشارة الصادرة من الهاتف الخلوي أو WiFi المحمول ، أو حتى خلاط المطبخ ، في ظهور ثابت على شاشة التلفزيون ، على سبيل المثال. وبالمثل ، تطلب شركات الطيران من الركاب إيقاف تشغيل الهواتف المحمولة أثناء الهبوط والإقلاع لأن إشاراتهم يمكن أن تعطل إشارات الملاحة.

علم المهندسون منذ فترة طويلة أن أي جهاز كهربائي يمكن أن يؤثر على عمل الجهاز القريب والمواد المطورة لحماية الإلكترونيات من الإشارات المتداخلة. ولكن الآن بعد أن أصبحت الأجهزة الإلكترونية منتشرة في كل مكان وصغيرة ومتصلة لاسلكيًا وحاسمة للخدمات الأساسية التي لا حصر لها ، فقد انتشرت فرص ومخاطر الأعطال التي تسببها EMI ، وغالبًا ما تكون مواد التدريع التقليدية للتداخل الكهرومغناطيسي غير كافية. يعني المزيد من الأجهزة الإلكترونية أن البشر يتعرضون أيضًا لإشعاع كهرومغناطيسي أكبر مما كان عليه في الماضي. ستكون هناك حاجة إلى مواد حماية جديدة للجيل القادم من الإلكترونيات.

قاد Balandin فريقًا طور توليفة قابلة للتطوير من المركبات ذات الحشوات غير المعتادة - حزم مقشرة كيميائيًا من مواد فان دير فالس أحادية البعد. أظهرت المركبات مواد حماية EMI استثنائية في نطاقات تردد جيجاهيرتز وشبه تيراهيرتز ، وهي مهمة لتقنيات الاتصالات الحالية والمستقبلية ، بينما تظل عازلة كهربائياً.

الجرافين هو أشهر مادة لفان دير فال. إنه ثنائي الأبعاد لأنه مستوى من الذرات شديدة الارتباط. العديد من مستويات الجرافين ، مقترنة بشكل ضعيف بقوى فان دير فال ، تشكل كتلة من بلورات الجرافيت. لسنوات عديدة ، تركز البحث بشكل خاص على مواد فان دير فال ذات الطبقات ثنائية الأبعاد ، والتي تقشر في مستويات من الذرات.

تتكون مواد فان دير فال ذات البعد الواحد من سلاسل ذرية شديدة الترابط ، بدلاً من الطائرات ، التي ترتبط ارتباطًا ضعيفًا بقوى فان دير فال. تقشر مثل هذه المواد إلى هياكل شبيهة بالإبرة "أحادية البعد" بدلاً من الطائرات ثنائية الأبعاد. أجرت مجموعة Balandin دراسات رائدة للمعادن أحادية البعد لإظهار خصائصها غير العادية. في الورقة الجديدة ، أبلغت مجموعة Balandin عن استخدام عملية كيميائية يمكن زيادتها لإنتاج كميات كبيرة من هذه المواد أحادية البعد.

طالبة الدكتوراه زهرة براني وفاريبوز كارجار ، أستاذة أبحاث وعالم مشروع في مركز Balandin Phonon Optimized Engineered ، أو مركز POEM ، قاما بتوليف المركبات الفريدة من خلال معالجة المركبات ثلاثية الكالكوجين المعدنية الانتقالية ، أو TaSe₃، مادة فان دير فالس ذات طبقات ذات هيكل بلوري شبه أحادي البعد ، مع مواد كيميائية تسببت في إلقاء أسلاك نانوية تشبه الإبرة ، شبه 1D فان دير فالس مع نسب أبعاد كبيرة للغاية تصل إلى ~ 106 - أطول بكثير من السميكة. في بحث سابق ، اكتشفت المجموعة أن حزم شبه 1D TaSe₃ يمكن أن تدعم الخيوط الذرية كثافات التيار العالي.

"لم تكن هناك وصفة قياسية لتقشير هذه المواد. لقد قمت بالعديد من تجارب التجربة والخطأ ، مع التحقق من طاقة الانقسام والمعلمات المهمة الأخرى لتقشيرها بإنتاجية عالية. كنت أعرف أن المفتاح هو الحصول على حزم ذات نسبة عرض إلى ارتفاع عالية بقدر ما أستطيع ، لأن موجات EM تقترن بخيوط أطول وأرق بشكل أفضل. قال المؤلف الأول باراني إن ذلك يتطلب مجهرًا ضوئيًا ومسحًا توصيفًا بالمجهر الإلكتروني بعد كل خطوة تقشير.

ملأ الباحثون مصفوفة مصنوعة من بوليمر خاص بحزم من TaSe المقشر₃ لإنتاج فيلم أسود رقيق. أظهرت الأفلام المركبة المركبة ، مع بقائها عازلة للكهرباء ، أداءً استثنائيًا في منع الموجات الكهرومغناطيسية. كانت مركبات البوليمر ذات الأحمال المنخفضة للحشوات فعالة بشكل خاص.

ترتبط فعالية التدريع الكهرومغناطيسي للمركبات بنسبة العرض إلى الارتفاع للحشوات. قال كارجار: كلما زادت نسبة العرض إلى الارتفاع ، انخفض تركيز الحشو اللازم لتوفير حماية كهرومغناطيسية كبيرة. "هذا مفيد ، لأنه من خلال خفض محتوى الحشو ، يمكن للمرء الاستفادة من الخصائص الكامنة في البوليمرات مثل الوزن الخفيف والمرونة. في هذا الصدد ، يمكنني القول أن هذه الفئة من المواد تعتبر استثنائية بمجرد تقشيرها بشكل صحيح ، والتحكم في سمكها وطولها ".

"في النهاية ، فهمتها بشكل صحيح ، وأعدت مركبًا وقمت بقياس خصائص EMI. كانت النتائج مذهلة: لا يوجد توصيل للكهرباء ولكن أكثر من 99.99٪ من الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي للأغشية ذات الميكرومتر السميك ".

يمكن إنتاج حشوات van der Waals المعدنية شبه 1D بتكلفة زهيدة وبكميات كبيرة. قال Balandin إن البحث عن الحزم الذرية لمواد van der Waals شبه 1D كموصلات فردية ، ومركبات بمثل هذه المواد قد بدأت للتو.

وقال: "أنا متأكد من أننا سنشهد قريبًا تقدمًا كبيرًا في استخدام مواد van der Waals شبه 1D ، كما حدث مع المواد شبه ثنائية الأبعاد".

# # #

وانضم إلى البحث كل من: ياسامين غفوري ، وسوبهاجيت غوش ، وكونراد جودزيسزيوسكي ، وسابا سيد محمود باراغاني ، ويفهن يشيشين ، وجرزيجورز سيوي سكي سيرجي روميانتسيف ، وتينا ت.سالجويرو ، باراني وكارجر وبالاندين. يُطلق على الورقة اسم "الأفلام المرنة العازلة كهربائياً مع حشوات فان دير فالس ذات البعد الواحد كدروع كهرومغناطيسية فعالة في نطاقات التردد GHz و Sub-THz".