Мы живем внутри невидимой электромагнитной бури. Смартфоны, Wi-Fi-роутеры, сети 5G, умные часы и медицинские датчики непрерывно обмениваются электромагнитными волнами. Без этого современная техника просто не существовала бы. Но у беспроводного мира есть и обратная сторона — электромагнитные помехи (EMI). Чужие сигналы могут сбивать с толку или даже выводить из строя чувствительную электронику. Особенно критично это для медицинских имплантов, носимых датчиков и гибких дисплеев, где отказ недопустим.
До сих пор самый надёжный способ защититься от электромагнитных помех заключался в использовании толстых металлических слоёв. Они хорошо экранируют, но имеют очевидные минусы: жёсткость, вес и непрозрачность. Для гибкой или прозрачной электроники такие решения просто не подходят.
Именно здесь долгие годы существовал компромисс, который казался непреодолимым: чем лучше материал проводит электричество, тем хуже он пропускает свет, и наоборот. Попытки использовать металлические нанопроволоки выглядели перспективно, но при хаотичном расположении они не давали достаточной защиты.
Упорядоченные нити нанопроволоки
Команда исследователей из Университета Глазго предложила элегантное решение. Учёные работали с серебряными нанопроволоками — нитями, которые в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Ключевая идея заключалась не в самом материале, а в том, как именно эти проволоки расположить.
Вместо случайного «рассыпания» по поверхности исследователи применили метод межфазного диэлектрофореза. Проще говоря, они использовали точно сформированные электрические поля, которые аккуратно выстраивали нанопроволоки в ровные, упорядоченные узоры на гибкой и прозрачной пластиковой плёнке.
Контроль оказался настолько точным, что проволоки могли изгибаться, поворачивать и менять направление, не теряя структуры. В демонстрационных образцах учёные даже «написали» читаемые буквы из нанопроволок — наглядное доказательство ювелирной точности метода.
Важно и другое: проволоки располагались очень близко друг к другу, но не сливались. Между ними оставались наноскопические зазоры. Именно они сыграли решающую роль.
Когда электромагнитные волны достигают такой плёнки, эти крошечные промежутки работают как микроскопические накопители энергии. Они ослабляют и рассеивают помехи ещё до того, как те доберутся до защищаемой электроники.
Учёные называют такую структуру капацитивно связанной сетью нанопроволок. Она резко повышает эффективность экранирования, при этом почти не мешая прохождению света. Проще говоря, материал «гасит» радиошум, оставаясь прозрачным.
Прочность и прозрачность одновременно
На втором этапе исследователи применили сверхкороткие лазерные импульсы длительностью всего несколько пикосекунд. Эти вспышки «сваривали» нанопроволоки в точках контакта, создавая надёжные электрические соединения.
Одновременно лазер удалял тонкие изолирующие слои, оставшиеся после производства нанопроволок. Результат оказался неожиданным даже для самих авторов. Электрическое сопротивление снизилось в 46 раз, а прозрачность выросла до 10%.
Такого эффекта — одновременного улучшения проводимости и светопропускания — ранее не удавалось добиться ни в одной металлической наноструктуре.
Результаты и перспективы
В финальных испытаниях плёнка блокировала более 99,97% электромагнитного излучения, обеспечивая эффективность экранирования свыше 35 децибел в диапазоне от 2,2 до 6 ГГц. Это как раз те частоты, на которых работают Wi-Fi и 5G.
При этом материал оставался на 83% прозрачным и имел толщину всего 5,1 микрометра — тоньше человеческого волоса. По сравнению с неупорядоченными нанопроволочными плёнками эффективность защиты выросла более чем в тысячу раз.
Такое сочетание свойств открывает дорогу к новым поколениям гибких дисплеев, носимой электроники и имплантируемых медицинских устройств, где чистота сигнала жизненно важна. Немаловажно и то, что технология масштабируема: команда уже изготовила плёнки размером 40 × 80 см, что делает промышленное производство вполне реальным.
Впереди остаются вопросы долговечности и поведения материала в биологических средах, но главный барьер, казавшийся фундаментальным, похоже, пал.
Исследование опубликовано в журнале ACS Nano.
