Исследователи из Южной Кореи разработали необычный композитный материал, который сочетает электромагнитное экранирование, устойчивость к нагреву и влаге и очень малую толщину. Пленка толщиной всего 17,5 мкм — примерно в несколько раз тоньше человеческого волоса — способна блокировать более 99,9999999% электромагнитного излучения в диапазонах, используемых радарами и средствами связи.
Секрет технологии оказался неожиданно простым по своей идее. Инженеры взяли два наноматериала, каждый из которых имеет серьезные недостатки в одиночку, и объединили их по принципу кирпичной кладки: углеродные нанотрубки играют роль прочного каркаса, а листы MXene заполняют промежутки между ними.
Результатом стала гибкая и исключительно тонкая пленка, которая одновременно хорошо проводит электричество, экранирует электромагнитные волны и снижает заметность в инфракрасном диапазоне.
Почему обычные материалы не подходят
Электромагнитное экранирование необходимо для защиты электроники от помех и предотвращения нежелательного взаимодействия между различными компонентами устройств. Традиционно для этой задачи используют металлы, однако у них есть очевидные недостатки: они тяжелые, плохо гнутся и со временем могут корродировать.
А что, если заменить металлический экран чем-то значительно более легким и гибким?
Одним из кандидатов стали углеродные нанотрубки (CNT) — цилиндрические структуры из углерода диаметром в нанометровом масштабе. Они отличаются высокой прочностью, малой массой и хорошей электропроводностью. Однако собрать отдельные нитевидные нанотрубки в большую однородную пленку непросто. Кроме того, материал может обладать заметным инфракрасным излучением, что ограничивает его применение там, где важна низкая тепловая заметность.
Другой перспективный материал — MXene, двумерный наноматериал, состоящий из тончайших слоев. Он эффективно поглощает инфракрасное излучение и потому хорошо подходит для создания материалов с низкой тепловой заметностью.
Но и здесь есть проблема: отдельные листы MXene хрупкие и быстро деградируют под воздействием окружающей среды. Получается своеобразная инженерная головоломка: один материал прочный, но имеет нежелательные свойства, второй хорошо поглощает излучение, но недостаточно долговечен.
Принцип «кирпичей и раствора»
Именно здесь исследователи нашли решение.
Команда из Корейского института материаловедения (KIMS) и Корейского института науки и технологий (KIST) во главе с Тэхуном Кимом (Taehoon Kim), Сын Джуном Кимом (Seon Joon Kim) и Чэ У Кимом (Jaewoo Kim) решила объединить CNT и MXene в единую наноструктуру.
Поверхность углеродных нанотрубок химически модифицировали специальными аминогруппами. Это позволило создать прочную связь между волокнами CNT и листами MXene.
Затем функционализированные углеродные волокна непрерывно пропускали через раствор MXene и укладывали рядом друг с другом. В результате возникла структура, напоминающая кирпичную кладку.
Углеродные нанотрубки здесь выполняют роль «кирпичей» — они образуют прочный несущий каркас. Листы MXene работают как «раствор», заполняя мельчайшие промежутки между ними, фиксируя волокна и препятствуя их смещению. Одновременно такая архитектура формирует непрерывную электрическую сеть по всей пленке.
По словам Тэхуна Кима, именно сочетание наноматериалов с разными свойствами позволяет сохранить преимущества каждого из них и компенсировать недостатки.
Что умеет новая пленка
Получившийся материал имеет толщину всего 17,5 мкм. Несмотря на столь малый размер, его характеристики впечатляют.
Электромагнитное экранирование достигает примерно 90 дБ, что соответствует блокированию более 99,9999999% волн в исследованных диапазонах радарного и коммуникационного излучения. Для сравнения: речь идет не просто о частичном ослаблении сигнала, а о подавлении практически всей энергии падающего излучения.
При этом пленка демонстрирует прочность на растяжение около 1,02 ГПа — показатель, сопоставимый с высокопрочными конструкционными сталями.
Еще одно важное свойство — чрезвычайно низкая инфракрасная излучательная способность. Проще говоря, материал плохо излучает тепло в инфракрасном диапазоне. Это позволяет уменьшить тепловую заметность объектов, покрытых такой пленкой.
Кроме того, композит сохраняет рабочие характеристики при повышенной температуре и влажности — условиях, в которых чистый MXene быстро теряет свои свойства. А благодаря гибкости пленку можно многократно сгибать, скручивать и складывать без образования трещин и разрушения проводящей сети.
Где может применяться технология
Одно из очевидных направлений — защита электронной аппаратуры от электромагнитных помех. По мере распространения сетей 5G и развития будущих стандартов связи проблема электромагнитной совместимости становится все более актуальной.
Внутри компактного электронного устройства огромное количество компонентов работает одновременно. Радиосигналы, процессоры, антенны и другие узлы могут создавать взаимные помехи. Металлическое экранирование решает проблему, но занимает дополнительное пространство и увеличивает массу.
Ультратонкая пленка потенциально позволяет получить тот же эффект при значительно меньшей толщине. Поэтому среди возможных гражданских применений исследователи называют смартфоны, умные часы, медицинские носимые устройства и складные планшеты.
Материал также представляет интерес для аэрокосмической отрасли, где каждый лишний грамм конструкции имеет значение. Его сочетание механической прочности, гибкости и электромагнитного экранирования может оказаться полезным при создании легких композитных конструкций.
От электроники до технологий малой заметности
Отдельное направление связано с технологиями снижения электромагнитной и тепловой заметности. Материал одновременно уменьшает отражение радиоволн и снижает инфракрасное излучение, поэтому исследователи рассматривают его потенциальное применение в аэрокосмических и других специализированных системах.
При этом до широкого практического использования еще предстоит пройти немалый путь. Лабораторные характеристики тонкой пленки не гарантируют автоматически, что материал будет демонстрировать те же показатели в сложных реальных конструкциях. Необходимо проверить долговечность, стабильность свойств при длительной эксплуатации и возможность масштабного производства.
Тем не менее сама концепция выглядит весьма универсальной. Вместо создания толстого многослойного экрана ученые фактически собрали на наномасштабе собственную «кирпичную стену», где каждый компонент выполняет свою задачу.
Именно такой подход может оказаться особенно ценным для современной электроники: когда устройства становятся все тоньше и легче, защитный материал тоже должен становиться практически невидимым — не только для электромагнитных волн, но и для самого инженера, который считает каждый миллиметр и каждый грамм.
