Gli ingegneri poiché i dispositivi elettronici saturano tutti gli angoli della vita pubblica e personale, stanno cercando di trovare materiali leggeri, meccanicamente stabili, flessibili e di facile fabbricazione in grado di proteggere gli esseri umani da un’eccessiva radiazione elettromagnetica e impedire che i dispositivi elettronici interferiscano tra loro.
Gli ingegneri dell’Università della California, Riverside, nella rivista Advanced Materials, la più importante del settore, hanno presentato una pellicola flessibile prodotta con un riempitivo nanomateriale quasi unidimensionale che combina un’eccellente schermatura elettromagnetica con la facilità di fabbricazione.
Alexander A. Balandin, illustre professore di elettronica e computer ingegneria presso il Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering della UC Riverside, responsabile dello studio, ha detto:
«Queste nuove pellicole sono promettenti per le tecnologie di comunicazione ad alta frequenza, garantiscono schermatura dalle interferenze elettromagnetiche, sono flessibili, leggere, resistenti alla corrosione, poco costose ed elettricamente isolanti, si accoppiano fortemente alle radiazioni a radiofrequenza ad alta frequenza pur rimanendo elettricamente isolanti nelle misurazioni di corrente continua».
L’interferenza elettromagnetica (o Emi), si verifica quando i segnali di diversi dispositivi elettronici si incrociano, influenzando le prestazioni, ad esempio, il segnale proveniente da un cellulare o da un laptop Wi-Fi o anche da un frullatore da cucina potrebbe causare la visualizzazione di elettricità statica sullo schermo di una TV; allo stesso modo, le compagnie aeree ordinano ai passeggeri di spegnere i cellulari durante l’atterraggio e il decollo perché i loro segnali possono disturbare i segnali di navigazione.
Gli ingegneri hanno imparato molto tempo fa che qualsiasi dispositivo elettrico potrebbe influenzare il funzionamento di un dispositivo vicino, hanno sviluppato materiali per schermare l’elettronica dai segnali di interferenza. Ora che i dispositivi elettronici sono diventati onnipresenti, piccoli, connessi in modalità wireless e fondamentali per innumerevoli servizi essenziali, le opportunità e i rischi di malfunzionamenti causati dalle interferenze elettromagnetiche sono proliferati, i materiali di schermatura Emi convenzionale sono spesso insufficienti.
I ricercatori hanno detto che più dispositivi elettronici significano che anche gli esseri umani rispetto al passato sono esposti a maggiori radiazioni elettromagnetiche. Nuovi materiali di schermatura saranno necessari per la prossima generazione di elettronica.
Alexander A. Balandin ha guidato il team che ha sviluppato la sintesi scalabile di compositi con riempitivi insoliti: fasci di materiali “van der Waals” quasi unidimensionali esfoliati chimicamente. Le forze di “van der Waals“, sono forze attrattive o repulsive tra molecole, chiamate così in onore del fisico Johannes Diderik van der Waals che ne formulò la legge per modernizzarle nel 1873.
I compositi hanno dimostrato eccezionali materiali di schermatura interferenza elettromagnetica nelle gamme di frequenza gigahertz e sub-terahertz, importanti per le tecnologie di comunicazione attuali e future, pur rimanendo elettricamente isolanti.
Il grafene è il materiale di van der Waals più famoso. È bidimensionale perché è un piano di atomi fortemente legati. Molti piani di grafene, debolmente accoppiati dalle forze di van der Waals, formano un cristallo di grafite sfuso. La ricerca per molti anni si è concentrata specificamente sui materiali di van der Waals stratificati bidimensionali, che esfoliano in piani di atomi.
I materiali unidimensionali di van der Waals sono costituiti da catene atomiche fortemente legate, piuttosto che da piani, che sono debolmente vincolati dalle forze di van der Waals. Tali materiali esfoliano in strutture aghiformi “unidimensionali” piuttosto che piani bidimensionali. Il team di Alexander A. Balandin ha condotto studi pionieristici sui metalli unidimensionali dimostrando le loro insolite proprietà, nel nuovo studio riferiscono di utilizzare un processo chimico che potrebbe essere ampliato per la produzione di massa di questi materiali unidimensionali.
Zahra Barani e Fariboz Kargar del team di ricerca hanno sintetizzato i compositi unici trattando i tricalcogenuri del metallo di transizione, o TaSe 3, un materiale di van der Waals stratificato con una struttura cristallina unidimensionale, con sostanze chimiche che hanno causato la dispersione di nanofili di van der Waals simili ad aghi, quasi 1D con rapporti di aspetto estremamente grandi fino a ~ 106, enormemente più lunghi dello spessore. Il team in una ricerca precedente ha scoperto che fasci di fili atomici TaSe 3 quasi 1D possono supportare elevata densità di corrente.
Zahra Barani ha detto:
«Non esisteva una ricetta standard per l’esfoliazione di questi materiali. Ho fatto molti esperimenti per tentativi ed errori, mentre controllavo l’energia di scissione e altri parametri importanti per esfoliarli con un alto rendimento. Sapevo che la chiave è poter ottenere fasci con proporzioni altrettanto elevate poiché le onde elettromagnetiche si accoppiano meglio con fili più lunghi e più sottili. Ciò richiedeva la microscopia ottica e la caratterizzazione al microscopio elettronico a scansione dopo ogni fase di esfoliazione».
I ricercatori hanno riempito una matrice composta da uno speciale polimero con fasci di TaSe 3 esfoliato per produrre una sottile pellicola nera. Le pellicole composite sintetizzate, pur rimanendo elettricamente isolanti, hanno dimostrato prestazioni eccezionali nel bloccare le onde elettromagnetiche. I compositi polimerici con bassi carichi di riempitivi sono risultati particolarmente efficaci.
Fariboz Kargar ha detto:
«L’efficacia della schermatura elettromagnetica dei compositi è correlata al rapporto di aspetto dei riempitivi. Maggiore è il rapporto di aspetto, minore è la concentrazione di riempitivo necessario per fornire una schermatura onde elettromagnetiche. Ciò è vantaggioso, poiché abbassando il contenuto di riempitivo si trarrebbe vantaggio dalle proprietà intrinseche dei polimeri come leggerezza e flessibilità, a questo proposito, posso dire che questa classe di materiali è eccezionale una volta esfoliata correttamente, controllando lo spessore e lunghezza».
Zahra Barani ha aggiunto:
«Alla fine, ho fatto bene, ho preparato un composito e misurato le proprietà d’interferenza elettromagnetica. I risultati sono stati sorprendenti: nessuna conduttività elettrica ma più del 99,99% di schermatura interferenza elettromagnetica per pellicola di spessore micrometrico».
Le cariche metalliche quasi-1D van der Waals possono essere prodotte a buon mercato e in grandi quantità. Alexander A. Balandin in conclusione ha affermato:
«La ricerca sui fasci atomici di materiali quasi 1D van der Waals come conduttori individuali e sui compositi con tali materiali è solo all’inizio, sono sicuro che presto vedremo molti progressi con i materiali quasi 1D van der Waals, come è successo con i materiali quasi 2-D».
