Плёнка тоньше человеческого волоса блокирует более 99,9999999% электромагнитных волн
Учёные из Южной Кореи создали гибкую композитную плёнку толщиной всего 17,5 микрометра, которая блокирует более 99,9999999% электромагнитного излучения в исследованных диапазонах и одновременно снижает инфракрасное тепловое излучение поверхности. Материал сочетает углеродные нанотрубки и двумерный материал MXene и рассматривается для защиты электроники, аэрокосмической техники и систем с пониженной тепловой заметностью.
Разработку создали специалисты Корейского института материаловедения KIMS и Корейского института науки и технологий KIST. Основой стали волокна из углеродных нанотрубок и нанолисты карбида титана Ti₃C₂Tₓ, относящегося к классу материалов MXene.
По отдельности оба компонента имеют серьёзные ограничения. Волокна из углеродных нанотрубок отличаются высокой прочностью, малой массой и хорошей электропроводностью, но их трудно соединить в однородную крупную плёнку. Кроме того, они сравнительно хорошо излучают в инфракрасном диапазоне. MXene обладает низкой инфракрасной излучательной способностью, но плёнки из него относительно хрупкие и хуже сохраняют свойства при длительном воздействии окружающей среды.
Исследователи объединили материалы по принципу кирпичной кладки. Параллельно уложенные волокна из углеродных нанотрубок выполняют роль «кирпичей», а нанолисты MXene заполняют промежутки между ними и работают как электропроводящий «раствор». Перед сборкой поверхность нанотрубок химически модифицировали аминогруппами, чтобы усилить связь с MXene.
Такая структура одновременно уменьшает проскальзывание волокон под нагрузкой и создаёт непрерывные проводящие пути по всей плёнке. Электропроводность материала достигла 9236 сименсов на сантиметр, а предел прочности при растяжении — 1,02 гигапаскаля, что сопоставимо с показателями некоторых высокопрочных сталей.
При толщине всего 17,5 микрометра средняя эффективность экранирования составила 92,8 децибела в X-диапазоне и 97,4 децибела в Ka-диапазоне. Эти частоты применяются, в частности, в радиолокации, спутниковой связи и других радиосистемах. В пересчёте такая величина соответствует подавлению более 99,9999999% падающего электромагнитного излучения.
Основную часть излучения материал отражает, а часть поглощает. Поэтому полученный результат относится прежде всего к электромагнитному экранированию электроники и оборудования. Испытания полноценного покрытия самолёта на снижение радиолокационной заметности в работе не проводились.
Вторая особенность плёнки связана с инфракрасным диапазоном. Покрывающий поверхность слой MXene имеет низкую излучательную способность и уменьшает тепловое излучение объекта. В экспериментах материал сохранял способность снижать инфракрасную заметность в диапазоне температур от комнатной примерно до 300 °C. При обычных условиях измеряемая температура излучения поверхности оставалась примерно в пределах 4 °C от температуры окружающего фона.
Плёнка также сохраняла механическую прочность, электропроводность и эффективность экранирования после воздействия высокой температуры, повышенной влажности и многократных деформаций. Это отличает её от обычных плёнок MXene, характеристики которых могут ухудшаться при длительном использовании.
Сочетание небольшой толщины, высокой прочности, электромагнитного экранирования и низкого инфракрасного излучения может быть полезно для аэрокосмической и оборонной электроники, где необходимо одновременно уменьшать массу оборудования и защищать его от электромагнитных помех. Авторы также называют среди возможных применений оборудование сетей 5G и 6G, носимую электронику и компактные устройства, в которых электромагнитные помехи между расположенными рядом компонентами становятся всё более серьёзной проблемой.
Материал пока исследован в лабораторных образцах. Его применение в реальных самолётах, беспилотниках или других крупных системах потребует разработки способов изготовления покрытий большой площади, их крепления и проверки характеристик в реальных условиях эксплуатации.
Исследование в журнале Advanced Composites and Hybrid Materials.