Alors que les appareils électroniques saturent tous les coins de la vie publique et personnelle, les ingénieurs s'efforcent de trouver des matériaux légers, mécaniquement stables, flexibles et faciles à fabriquer qui peuvent protéger les humains des rayonnements électromagnétiques excessifs et empêcher les appareils électroniques d'interférer les uns avec les autres.

Dans un rapport révolutionnaire publié dans Matériaux avancés–Le meilleur journal dans le domaine– les ingénieurs de l'Université de Californie à Riverside décrivent un film flexible utilisant une charge de nanomatériau quasi-unidimensionnelle qui combine un excellent blindage électromagnétique avec une facilité de fabrication.

«Ces nouveaux films sont prometteurs pour les technologies de communication à haute fréquence, qui nécessitent des films de protection contre les interférences électromagnétiques flexibles, légers, résistants à la corrosion, peu coûteux et isolants électriquement», a déclaré l'auteur principal Alexander A. Balandin, professeur éminent en électricité et en informatique. ingénierie au Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering de l'UC Riverside. «Ils se couplent fortement aux rayonnements radiofréquences haute fréquence tout en restant électriquement isolants dans les mesures de courant continu.»

Les interférences électromagnétiques, ou EMI, se produisent lorsque les signaux de différents appareils électroniques se croisent, affectant les performances. Le signal d'un téléphone portable ou d'un ordinateur portable WiFi, ou même d'un mixeur de cuisine, peut provoquer l'apparition d'électricité statique sur l'écran d'un téléviseur, par exemple. De même, les compagnies aériennes demandent aux passagers d'éteindre les téléphones portables pendant l'atterrissage et le décollage car leurs signaux peuvent perturber les signaux de navigation.

Les ingénieurs ont appris il y a longtemps que tout appareil électrique pouvait influencer le fonctionnement d'un appareil à proximité et ont développé des matériaux pour protéger l'électronique des signaux parasites. Mais maintenant que les appareils électroniques sont devenus omniprésents, petits, connectés sans fil et essentiels pour d'innombrables services essentiels, les opportunités et les risques de dysfonctionnements causés par les EMI ont proliféré, et les matériaux de protection EMI conventionnels sont souvent insuffisants. Plus d'appareils électroniques signifient que les humains sont également exposés à un rayonnement électromagnétique plus important que par le passé. De nouveaux matériaux de blindage seront nécessaires pour la prochaine génération d'électronique.

Balandin a dirigé une équipe qui a développé la synthèse évolutive de composites avec des charges inhabituelles - des faisceaux chimiquement exfoliés de matériaux van der Waals quasi-unidimensionnels. Les composites ont démontré des matériaux de blindage EMI exceptionnels dans les gammes de fréquences gigahertz et sub-térahertz, importants pour les technologies de communication actuelles et futures, tout en restant électriquement isolants.

Le graphène est le matériau van der Waals le plus connu. Il est bidimensionnel car c'est un plan d'atomes fortement liés. De nombreux plans de graphène, faiblement couplés par les forces de van der Waals, constituent un cristal de graphite massif. Pendant de nombreuses années, la recherche s'est concentrée spécifiquement sur les matériaux van der Waals en couches bidimensionnelles, qui s'exfolient dans des plans d'atomes.

Les matériaux unidimensionnels de van der Waals sont constitués de chaînes atomiques fortement liées, plutôt que de plans, qui sont faiblement liés par les forces de van der Waals. De tels matériaux s'exfolient dans des structures «unidimensionnelles» en forme d'aiguilles plutôt que dans des plans bidimensionnels. Le groupe Balandin a mené des études pionnières sur les métaux unidimensionnels démontrant leurs propriétés inhabituelles. Dans le nouveau document, le groupe Balandin rapporte l'utilisation d'un processus chimique qui pourrait être mis à l'échelle pour la production de masse de ces matériaux unidimensionnels.

L'étudiante au doctorat Zahra Barani et Fariboz Kargar, professeur de recherche et chercheur au sein du Phonon Optimized Engineered Materials de Balandin, ou POEM Center, ont synthétisé les composites uniques en traitant les trichalcogénures de métaux de transition, ou TaSe₃, un matériau de van der Waals en couches avec une structure cristalline quasi-unidimensionnelle, avec des produits chimiques qui l'ont amené à répandre des nanofils de van der Waals quasi-1D en forme d'aiguille avec des rapports d'aspect extrêmement grands allant jusqu'à ~ 106 - massivement plus longs que épais. Dans une recherche précédente, le groupe a découvert que des faisceaux de TaSe quasi-1D₃ les threads atomiques peuvent supporter des densités de courant élevées.

«Il n'y avait pas de recette standard pour l'exfoliation de ces matières. J'ai fait de nombreuses expériences d'essais et d'erreurs, tout en vérifiant l'énergie de clivage et d'autres paramètres importants pour les exfolier avec un rendement élevé. Je savais que la clé était d'obtenir des faisceaux avec un rapport hauteur / largeur aussi élevé que possible, car les ondes EM se couplent mieux avec des brins plus longs et plus minces. Cela nécessitait une microscopie optique et une caractérisation par microscopie électronique à balayage après chaque étape d'exfoliation », a déclaré le premier auteur Barani.

Les chercheurs ont rempli une matrice faite d'un polymère spécial avec des faisceaux du TaSe exfolié₃ pour produire un film mince et noir. Les films composites synthétisés, tout en restant électriquement isolants, ont démontré des performances exceptionnelles pour bloquer les ondes électromagnétiques. Les composites polymères à faibles charges des charges étaient particulièrement efficaces.

«L'efficacité du blindage électromagnétique des composites est corrélée au rapport hauteur / largeur des charges. Plus le rapport hauteur / largeur est élevé, plus la concentration de charge nécessaire pour fournir un blindage électromagnétique significatif est faible », a déclaré Kargar. «Ceci est bénéfique, car en abaissant la teneur en charge, on profiterait des propriétés inhérentes aux polymères telles que la légèreté et la flexibilité. À cet égard, je peux dire que cette classe de matériaux est exceptionnelle une fois qu'elle est correctement exfoliée, en contrôlant l'épaisseur et la longueur.

«En fin de compte, je les ai bien compris, préparé un composite et mesuré les propriétés EMI. Les résultats ont été étonnants: pas de conductivité électrique mais plus de 99.99% de blindage EMI pour des films micromètres d'épaisseur », a ajouté Barani.

Les charges métalliques quasi-1D van der Waals peuvent être produites à peu de frais et en grandes quantités. Balandin a déclaré que la recherche sur les faisceaux atomiques de matériaux de van der Waals quasi-1D en tant que conducteurs individuels et les composites avec de tels matériaux ne faisait que commencer.

«Je suis sûr que nous verrons bientôt beaucoup de progrès avec les matériaux quasi-1D van der Waals, comme cela s'est produit avec les matériaux quasi-2D», a-t-il déclaré.

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Barani, Kargar et Balandin ont été rejoints dans la recherche par Yassamin Ghafouri, Subhajit Ghosh, Konrad Godziszewski, Saba Seyedmahmoudbaraghani, Yevhen Yashchyshyn, Grzegorz Cywi? Ski Sergey Rumyantsev et Tina T. Salguero. Le document s'intitule «Films flexibles électriquement isolants avec des charges van-der-Waals quasi-unidimensionnelles comme boucliers électromagnétiques efficaces dans les bandes de fréquences GHz et sous-THz.»