Elektronik cihazlar kamusal ve kişisel yaşamın her köşesini doldururken, mühendisler hem insanları aşırı elektromanyetik radyasyondan koruyabilecek hem de elektronik cihazların birbirlerine karışmasını önleyebilecek hafif, mekanik olarak dayanıklı, esnek ve kolayca üretilebilen malzemeler bulmak için çabalıyorlar.

Yayınlanan çığır açan bir raporda Gelişmiş malzemelerRiverside'daki Kaliforniya Üniversitesi'ndeki mühendisler, alanın en iyi dergisi olan, mükemmel elektromanyetik korumayı üretim kolaylığıyla birleştiren yarı tek boyutlu bir nanomateryal dolgu maddesi kullanan esnek bir filmi tanımlıyor.

Seçkin bir elektrik ve bilgisayar profesörü olan kıdemli yazar Alexander A. Balandin, "Bu yeni filmler, esnek, hafif, korozyona dayanıklı, ucuz ve elektriksel olarak yalıtkan elektromanyetik girişim koruyucu filmler gerektiren yüksek frekanslı iletişim teknolojileri için umut verici" dedi. UC Riverside'ın Marlan ve Rosemary Bourns Mühendislik Koleji'nde mühendislik. "Doğru akım ölçümlerinde elektriksel olarak yalıtkan kalırken, yüksek frekanslı radyo frekansı radyasyonuna güçlü bir şekilde bağlanıyorlar."

Elektromanyetik girişim veya EMI, farklı elektronik cihazlardan gelen sinyaller birbirini geçerek performansı etkilediğinde ortaya çıkar. Bir cep telefonundan veya dizüstü bilgisayar WiFi'sinden veya hatta bir mutfak blenderinden gelen sinyal, örneğin TV ekranında parazit oluşmasına neden olabilir. Benzer şekilde, havayolları yolculara iniş ve kalkış sırasında cep telefonlarını kapatmaları talimatını veriyor çünkü cep telefonlarının sinyalleri navigasyon sinyallerini bozabilir.

Mühendisler uzun zaman önce herhangi bir elektrikli cihazın yakındaki bir cihazın işleyişini etkileyebileceğini öğrendiler ve elektronik aksamı parazit yapan sinyallerden koruyacak malzemeler geliştirdiler. Ancak artık elektronik cihazlar her yerde bulunur, küçükleşir, kablosuz olarak bağlanır ve sayısız temel hizmet için kritik hale gelir, EMI kaynaklı arıza fırsatları ve riskleri çoğalır ve geleneksel EMI koruma malzemeleri genellikle yetersiz kalır. Daha fazla elektronik cihaz, insanların geçmişte olduğundan daha fazla elektromanyetik radyasyona maruz kalması anlamına da geliyor. Yeni nesil elektronikler için yeni koruyucu malzemelere ihtiyaç duyulacak.

Balandin, sıra dışı dolgu maddeleri (kimyasal olarak pul pul dökülmüş yarı tek boyutlu van der Waals malzemeleri demetleri) ile kompozitlerin ölçeklenebilir sentezini geliştiren bir ekibe liderlik etti. Kompozitler, elektriksel olarak yalıtkan kalırken mevcut ve gelecekteki iletişim teknolojileri için önemli olan gigahertz ve terahertz altı frekans aralıklarında olağanüstü EMI koruyucu malzemeler gösterdi.

Grafen en ünlü van der Waals malzemesidir. İki boyutludur çünkü güçlü bir şekilde bağlı atomlardan oluşan bir düzlemdir. Van der Waals kuvvetleriyle zayıf bir şekilde birleşen birçok grafen düzlemi, toplu bir grafit kristali oluşturur. Uzun yıllar boyunca araştırmalar özellikle atom düzlemlerine yayılan iki boyutlu katmanlı van der Waals malzemelerine odaklandı.

Tek boyutlu van der Waals malzemeleri, van der Waals kuvvetleri tarafından zayıf bir şekilde bağlanan düzlemler yerine, güçlü bir şekilde bağlı atom zincirlerinden oluşur. Bu tür malzemeler pul pul dökülerek iki boyutlu düzlemler yerine iğne benzeri "tek boyutlu" yapılara dönüşür. Balandin grubu, tek boyutlu metallerin sıra dışı özelliklerini gösteren öncü çalışmalar yürüttü. Yeni makalede Balandin grubu, bu tek boyutlu malzemelerin seri üretimi için ölçeklendirilebilecek kimyasal bir işlem kullanıldığını bildiriyor.

Balandin'in Phonon Optimize Edilmiş Mühendislik Malzemeleri veya POEM Merkezi'nde araştırma profesörü ve proje bilimcisi olan doktora öğrencisi Zahra Barani ve Fariboz Kargar, geçiş metali trikalkojenitleri veya TaSe'yi işleyerek benzersiz kompozitleri sentezledi.₃, yarı tek boyutlu bir kristal yapıya sahip katmanlı bir van der Waals malzemesi, ~ 1'ya kadar - kalından çok daha uzun olan son derece büyük en boy oranlarına sahip iğne benzeri, yarı-106D van der Waals nanotellerini dökmesine neden olan kimyasallar. Önceki araştırmada grup, yarı-1D TaSe paketlerinin keşfedildiğini keşfetti.₃ Atomik iplikler yüksek akım yoğunluklarını destekleyebilir.

"Bu malzemelerin pul pul dökülmesi için standart bir tarif yoktu. Yüksek verimle pul pul dökmek için bölünme enerjisini ve diğer önemli parametreleri kontrol ederken birçok deneme yanılma deneyi yaptım. EM dalgaları daha uzun ve daha ince şeritlerle daha iyi birleştiğinden, anahtarın mümkün olduğu kadar yüksek en boy oranına sahip demetler elde etmek olduğunu biliyordum. Bu, her pul pul dökülme adımından sonra optik mikroskopi ve taramalı elektron mikroskobu karakterizasyonunu gerektiriyordu" dedi ilk yazar Barani.

Araştırmacılar özel bir polimerden yapılmış bir matrisi pul pul dökülmüş TaSe demetleriyle doldurdular₃ ince, siyah bir film üretmek için. Sentezlenen kompozit filmler elektriksel olarak yalıtkan kalarak elektromanyetik dalgaları bloke etmede olağanüstü performans gösterdi. Dolgu maddelerinin düşük yüklü olduğu polimer kompozitler özellikle etkiliydi.

"Kompozitlerin elektromanyetik koruma etkinliği, dolgu maddelerinin en boy oranıyla ilişkilidir. En-boy oranı ne kadar yüksek olursa, önemli EM koruması sağlamak için gereken dolgu konsantrasyonu da o kadar düşük olur," dedi Kargar. "Bu faydalıdır, çünkü dolgu içeriğinin azaltılmasıyla polimerlerin hafiflik ve esneklik gibi doğal özelliklerinden yararlanılabilir. Bu bağlamda, bu sınıftaki malzemelerin düzgün bir şekilde pul pul dökülüp kalınlık ve uzunluk kontrol edildiğinde olağanüstü olduğunu söyleyebilirim.”

"Sonunda onları doğru anladım, bir kompozit hazırladım ve EMI özelliklerini ölçtüm. Sonuçlar şaşırtıcıydı: elektrik iletkenliği yoktu ancak mikrometre kalınlığındaki filmler için %99.99'dan fazla EMI koruması vardı" diye ekledi Barani.

Yarı-1D van der Waals metalik dolgu maddeleri ucuza ve büyük miktarlarda üretilebilir. Balandin, bireysel iletkenler olarak yarı-1D van der Waals malzemelerinin atomik demetleri ve bu tür malzemelerle kompozitler üzerine araştırmaların henüz yeni başladığını söyledi.

"Eminim ki, yarı-1 boyutlu malzemelerde olduğu gibi, yarı-2 boyutlu van der Waals malzemelerde de yakında çok fazla ilerleme göreceğiz" dedi.

###

Araştırmaya Barani, Kargar ve Balandin'e Yassamin Ghafouri, Subhajit Ghosh, Konrad Godziszewski, Saba Seyedmahmoudbaraghani, Yevhen Yashchyshyn, Grzegorz Cywiski Sergey Rumyantsev ve Tina T. Salguero katıldı. Makalenin adı, "GHz ve THz Altı Frekans Bantlarında Verimli Elektromanyetik Kalkanlar Olarak Yarı Tek Boyutlu van-der-Waals Dolgulu Elektriksel Olarak Yalıtımlı Esnek Filmler."