當我們歡迎無線技術(shù)進入生活的更多領(lǐng)域時，額外的電子喧鬧聲使周圍的電磁場變得越來越嘈雜。為了限制額外的通信量，德雷塞爾大學的研究人員一直在測試以其抗干擾能力而聞名的二維材料。他們的最新發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學》雜志上，它具有一種新型的二維材料的出色屏蔽能力，該材料可以吸收電磁干擾，而不僅僅是向后偏轉(zhuǎn)。

這種稱為碳氮化鈦的材料是2011年在Drexel上首次生產(chǎn)的稱為MXenes 的二維材料家族的一部分。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些材料具有許多優(yōu)異的性能，包括令人印象深刻的強度，高電導率和分子過濾能力。碳氮化鈦的特殊特性是，它可以比任何已知材料(包括當前大多數(shù)電子設備中使用的金屬箔)更有效地阻擋和吸收電磁干擾。

“這一發(fā)現(xiàn)打破了電磁屏蔽領(lǐng)域中存在的所有障礙。它不僅揭示了一種比銅更好的屏蔽材料，而且還展示了一種令人興奮的新物理學，因為我們看到離散的二維材料與電磁相互作用。輻射與散裝金屬的輻射方式不同。”杰出大學博士，德雷克塞爾工程學院的巴赫教授Yury Gogotsi說，他領(lǐng)導了進行該MXene研究的研究小組，其中還包括韓國化學研究所的科學家?？茖W技術(shù)，以及Drexel與研究所合作的學生。

雖然技術(shù)用戶很少注意到電磁干擾(對工程師和技術(shù)人員而言是“ EMI”)，很可能是來自麥克風或揚聲器的嗡嗡聲，但這是設計該技術(shù)的工程師始終關(guān)注的問題。EMI干擾的是其他電子組件，例如天線和電路。它會降低電氣性能，降低數(shù)據(jù)交換速率，甚至會中斷設備的功能。

電子設計人員和工程師傾向于使用屏蔽材料來容納和偏轉(zhuǎn)設備中的EMI，方法是通過用銅籠覆蓋整個電路板，或者最近通過將各個組件包裹在箔屏蔽中。但是，這兩種策略都會增加設備的體積和重量。

Gogotsi的小組發(fā)現(xiàn)，它的MXene材料比銅更薄，更輕，可以非常有效地屏蔽EMI。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在四年前的《科學》雜志上，表明一種名為碳化鈦的MXene 具有與當時行業(yè)標準材料一樣有效的潛力，并且可以很容易地用作涂料。這項研究很快成為該領(lǐng)域最具影響力的發(fā)現(xiàn)之一，并激發(fā)其他研究人員研究其他用于EMI屏蔽的材料。

但是，隨著Drexel和KIST團隊繼續(xù)檢查該系列的其他成員時，他們發(fā)現(xiàn)了碳氮化鈦的獨特品質(zhì)，使其成為EMI屏蔽應用的更有希望的候選者。

Kanit Hantanasirisakul說：“與碳化鈦相比，碳氮化鈦的結(jié)構(gòu)非常相似-除了用碳原子取代一半碳原子外，它們實際上是相同的-但碳氮化鈦的導電性要低一個數(shù)量級。” Drexel材料科學與工程系的博士候選人。“因此，我們希望對導電率和元素組成對EMI屏蔽應用的影響有一個基本的了解。”

通過一系列測試，該小組做出了驚人的發(fā)現(xiàn)。就是說，碳氮化鈦材料的薄膜厚度比人發(fā)束的厚度薄許多倍，實際上能比類似厚度的銅箔(通常用于電子產(chǎn)品)更有效地阻止EMI干擾3-5倍。設備。

Hantanasirisakul說：“重要的是要注意，我們最初并不期望碳氮化鈦MXene比已知的所有MXene中導電性最高的碳化鈦更好。” “我們首先認為測量或計算可能有問題。因此，我們一次又一次地重復實驗，以確保我們正確地進行了所有操作，并且值可重復。”

也許比團隊發(fā)現(xiàn)材料的屏蔽能力更重要的是他們對材料工作方式的新理解。大多數(shù)EMI屏蔽材料只是通過將電磁波反射掉而防止其滲透。盡管這對于保護組件很有效，但并不能緩解環(huán)境中EMI傳播的總體問題。Gogotsi的小組發(fā)現(xiàn)碳氮化鈦實際上通過吸收電磁波來阻止EMI。

Hantanasirisakul說：“與簡單地反射仍會損壞未屏蔽的其他設備的波相比，這是一種處理電磁污染的更具可持續(xù)性的方法。” “我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)波被層狀碳氮化物MXene薄膜吸收。這就像把垃圾扔掉或撿起來之間的區(qū)別一樣，這最終是一個更好的解決方案。”

這也意味著碳氮化鈦可用于單獨涂覆設備內(nèi)部的組件，以防止其EMI，即使它們緊密放置在一起也是如此。像蘋果公司這樣的公司多年來一直在嘗試這種遏制策略，但是成功的局限在于銅箔的厚度。隨著設備設計師努力通過使其更小，更不引人注目和更集成來使它們無處不在，這種策略可能會成為新的規(guī)范。

研究人員懷疑碳氮化鈦的獨特性是由于其分層的多孔結(jié)構(gòu)使EMI可以部分穿透材料，以及其化學成分可以俘獲并消散EMI。在材料的最后形成步驟(稱為退火)中加熱時，這種特性組合就會在材料內(nèi)顯現(xiàn)出來。

“這是一個違反直覺的發(fā)現(xiàn)。EMI屏蔽效率通常隨電導率而增加。我們知道熱處理可以提高電導率，因此我們嘗試使用碳氮化鈦來查看其是否會改善其屏蔽能力。我們發(fā)現(xiàn)，僅略微提高了其導電性，但大大提高了其屏蔽效果，” Gogotsi說。“這項工作激勵了我們，并且應該激勵該領(lǐng)域的其他人去研究其他MXene的性能和應用，因為盡管它們的導電性較低，但它們?nèi)钥赡鼙憩F(xiàn)出更好的性能。”

Drexel團隊一直在擴大其范圍，并已經(jīng)研究了16種不同MXene材料的EMI屏蔽能力，這大約是其實驗室生產(chǎn)的所有MXene的一半。它計劃繼續(xù)進行碳氮化鈦的研究，以更好地了解其獨特的電磁行為，以期預測其他材料的隱藏能力。Drexel團隊一直在擴大其范圍，并已經(jīng)研究了16種不同MXene材料的EMI屏蔽能力，這大約是其實驗室生產(chǎn)的所有MXene的一半。它計劃繼續(xù)進行碳氮化鈦的研究，以更好地了解其獨特的電磁行為，以期預測其他材料的隱藏能力。