Das leichteste Abschirmungsmaterial in der Welt

Aerogele gegen elektromagnetische Strahlung

Ein Durchbruch in diesem Bereich hat sich nun von einem Forscherteam unter Leitung von Zhihui Zeng und Gustav Nyström erreicht. Die Forscher verwenden Nanofasern aus Cellulose als Basis für einen Aerogel, das ein leichtes, hochporöses Material ist. Cellulosefasern werden aus Holz gewonnen, und aufgrund ihrer chemischen Struktur ermöglichen, eine Vielzahl von chemischen Modifikationen. Sie sind daher ein sehr beliebtes Forschungsobjekt. Der entscheidende Faktor bei der Verarbeitung und Modifizierung dieser Cellulose-Nanofasern ist in der Lage sein, erreicht zu produzieren bestimmte Mikrostrukturen in definierter Weise und zu interpretieren, die Auswirkungen. Diese Beziehungen zwischen Struktur und Eigenschaften sind der sehr Bereich der Forschung von Nyström-Team an der Empa.

Die Forscher haben bei der Herstellung einer Zusammensetzung aus Cellulose-Nanofasern und Silber-Nanodrähten erfolgreich war, und somit ultraleichten Feinstrukturen geschaffen, die eine ausgezeichnete Abschirmung gegen elektromagnetische Strahlung. Die Wirkung des Materials ist beeindruckend: mit einer Dichte von nur 1,7 Milligramm pro Kubikzentimeter, die Silberverstärkter Cellulose Aerogel erzielt mehr als 40 dB Abschirmung im Frequenzbereich von hochauflösenden Radarstrahlung (8 bis 12 GHz) in anderen Worte: Praktisch alle Strahlung in diesem Frequenzbereich wird durch das Material abgefangen.

Eiskristalle steuern die Form

Nicht nur die richtige Zusammensetzung von Cellulose und Silberdrähten ist entscheidend für die Schirmwirkung, sondern auch die Porenstruktur des Materials. Innerhalb der Poren werden die elektromagnetischen Felder hin und her reflektiert und zusätzlich auslösen elektromagnetische Felder in dem Verbundmaterial, die das einfallende Feld entgegenzuwirken. So erstellen Poren der optimalen Größe und Form, gießen die Forscher das Material in vorgekühlte Formen und lassen Sie es langsam einzufrieren. Das Wachstum der Eiskristalle erzeugt die optimale Porenstruktur für die Felder zu dämpfen.

Mit diesem Herstellungsverfahren kann die Dämpfungswirkung auch in unterschiedlichen Raumrichtungen festgelegt werden: Wenn das Material in der Form ausfriert von unten nach oben, die elektromagnetische Dämpfungswirkung schwächer ist in der vertikalen Richtung. In horizontaler Richtung, das heißt senkrecht zur Richtung Einfrieren wird der Dämpfungseffekt optimiert. Abschirmung Strukturen auf diese Weise gegossen sind sehr flexibel: Auch nach gebeugtem Rücken und herbewegbar tausendmal, die Dämpfungswirkung ist praktisch die gleiche wie bei dem ursprünglichen Material. Die gewünschte Absorption kann auch einfach durch Zugabe von mehr oder Nanodrähten auf den Verbund sowie durch die Porosität des gegossenen Aerogel und der Dicke der gegossenen Schicht weniger Silber eingestellt wird.

Die leichteste elektromagnetische Abschirmung der Welt

In einem anderen Experiment entfernt die Forscher die Silber-Nanodrähte aus dem Verbundmaterial und mit ihren Cellulose-Nanofasern mit zweidimensionalen Nanoplättchen aus Titancarbid, welche einer speziellen Ätzprozess hergestellt wurde unter Verwendung von. Die Nanoplättchen wirken wie harte „bricks“, die zusammen mit flexiblen „Mörtel“ aus Cellulosefasern miteinander verbunden sind. Diese Formulierung wurde auch in gekühlten Formen gezielt eingefroren. In Bezug auf das Gewicht des Materials, kann kein anderes Material eine solche Abschirmung erzielen. Dies stuft den Titancarbid Nanocellulose-Aerogel als mit Abstand leichteste elektromagnetisch abschirmende Material in der Welt.

Quelle: Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (EMPA). "The lightest shielding material in the world: Protection against electromagnetic interference." ScienceDaily. ScienceDaily, 2 July 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200702113703.htm>.