當(dāng)我們歡迎無(wú)線技術(shù)進(jìn)入生活的更多領(lǐng)域時(shí)，額外的電子喧鬧聲使周圍的電磁場(chǎng)變得越來(lái)越嘈雜。為了限制額外的通信量，德雷塞爾大學(xué)的研究人員一直在測(cè)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(xué)》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(qiáng)度，高電導(dǎo)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(dāng)前大多數(shù)電子設(shè)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(xué)，因?yàn)槲覀兛吹诫x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(xué)博士，德雷克塞爾工程學(xué)院的巴赫教授Yury Gogotsi說(shuō)，他領(lǐng)導(dǎo)了進(jìn)行該MXene研究的研究小組，其中還包括韓國(guó)化學(xué)研究所的科學(xué)家?？茖W(xué)技術(shù)，以及Drexel與研究所合作的學(xué)生。

雖然技術(shù)用戶很少注意到電磁干擾(對(duì)工程師和技術(shù)人員而言是“ EMI”)，很可能是來(lái)自麥克風(fēng)或揚(yáng)聲器的嗡嗡聲，但這是設(shè)計(jì)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(huì)降低電氣性能，降低數(shù)據(jù)交換速率，甚至?xí)袛嘣O(shè)備的功能。

電子設(shè)計(jì)人員和工程師傾向于使用屏蔽材料來(lái)容納和偏轉(zhuǎn)設(shè)備中的EMI，方法是通過用銅籠覆蓋整個(gè)電路板，或者最近通過將各個(gè)組件包裹在箔屏蔽中。但是，這兩種策略都會(huì)增加設(shè)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(xué)》雜志上，表明一種名為碳化鈦的MXene 具有與當(dāng)時(shí)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)材料一樣有效的潛力，并且可以很容易地用作涂料。這項(xiàng)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(tuán)隊(duì)繼續(xù)檢查該系列的其他成員時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了碳氮化鈦的獨(dú)特品質(zhì)，使其成為EMI屏蔽應(yīng)用的更有希望的候選者。

Kanit Hantanasirisakul說(shuō)：“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(shí)際上是相同的-但碳氮化鈦的導(dǎo)電性要低一個(gè)數(shù)量級(jí)。” Drexel材料科學(xué)與工程系的博士候選人。“因此，我們希望對(duì)導(dǎo)電率和元素組成對(duì)EMI屏蔽應(yīng)用的影響有一個(gè)基本的了解。”

通過一系列測(cè)試，該小組做出了驚人的發(fā)現(xiàn)。就是說(shuō)，碳氮化鈦材料的薄膜厚度比人發(fā)束的厚度薄許多倍，實(shí)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(shè)備。

Hantanasirisakul說(shuō)：“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(dǎo)電性最高的碳化鈦更好。” “我們首先認(rèn)為測(cè)量或計(jì)算可能有問題。因此，我們一次又一次地重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以確保我們正確地進(jìn)行了所有操作，并且值可重復(fù)。”

也許比團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)材料的屏蔽能力更重要的是他們對(duì)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(duì)于保護(hù)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(shí)際上通過吸收電磁波來(lái)阻止EMI。

Hantanasirisakul說(shuō)：“與簡(jiǎn)單地反射仍會(huì)損壞未屏蔽的其他設(shè)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(lái)之間的區(qū)別一樣，這最終是一個(gè)更好的解決方案。”

這也意味著碳氮化鈦可用于單獨(dú)涂覆設(shè)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(lái)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(shè)備設(shè)計(jì)師努力通過使其更小，更不引人注目和更集成來(lái)使它們無(wú)處不在，這種策略可能會(huì)成為新的規(guī)范。

研究人員懷疑碳氮化鈦的獨(dú)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(xué)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(shí)，這種特性組合就會(huì)在材料內(nèi)顯現(xiàn)出來(lái)。

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

Drexel團(tuán)隊(duì)一直在擴(kuò)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(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的所有MXene的一半。它計(jì)劃繼續(xù)進(jìn)行碳氮化鈦的研究，以更好地了解其獨(dú)特的電磁行為，以期預(yù)測(cè)其他材料的隱藏能力。Drexel團(tuán)隊(duì)一直在擴(kuò)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(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的所有MXene的一半。它計(jì)劃繼續(xù)進(jìn)行碳氮化鈦的研究，以更好地了解其獨(dú)特的電磁行為，以期預(yù)測(cè)其他材料的隱藏能力。