Les moteurs électriques et les appareils électroniques génèrent des champs électromagnétiques qui doivent parfois être protégés afin de ne pas affecter les composants électroniques voisins ou la transmission des signaux.
Les champs électromagnétiques haute fréquence ne peuvent être protégés que par des coques conductrices fermées de tous les côtés. Souvent, des feuilles métalliques minces ou des feuilles métallisées sont utilisées à cette fin.
Cependant, pour de nombreuses applications, un tel écran est trop lourd ou trop mal adaptable à la géométrie donnée. La solution idéale serait un matériau léger, flexible et durable avec une efficacité de blindage extrêmement élevée.
Aérogels contre le rayonnement électromagnétique
Une percée dans ce domaine a maintenant été réalisée par une équipe de recherche dirigée par Zhihui Zeng et Gustav Nyström.
Les chercheurs utilisent des nanofibres de cellulose comme base d'un aérogel, un matériau léger et très poreux. Les fibres de cellulose sont obtenues à partir du bois et, en raison de leur structure chimique, permettent une large gamme de modifications chimiques.
Ils sont donc un objet de recherche très populaire. Le facteur crucial dans le traitement et la modification de ces nanofibres de cellulose est de pouvoir produire certaines microstructures de manière définie et d'interpréter les effets obtenus. Ces relations entre structure et propriétés sont le champ de recherche même de l'équipe de Nyström à l'Empa.
Les chercheurs ont réussi à produire un composite de nanofibres de cellulose et de nanofils d'argent, et ont ainsi créé des structures fines ultra-légères qui offrent un excellent blindage contre les rayonnements électromagnétiques.
L'effet du matériau est impressionnant: avec une densité de seulement 1,7 milligrammes par centimètre cube, l'aérogel de cellulose renforcé d'argent atteint plus de 40 dB de blindage dans la gamme de fréquences du rayonnement radar haute résolution (8 à 12 GHz) – dans d'autres mots: Pratiquement tous les rayonnements dans cette gamme de fréquences sont interceptés par le matériau.
Les cristaux de glace contrôlent la forme
Non seulement la composition correcte des fils de cellulose et d'argent est décisive pour l'effet de blindage, mais également la structure des pores du matériau.
Dans les pores, les champs électromagnétiques sont réfléchis d'avant en arrière et déclenchent en outre des champs électromagnétiques dans le matériau composite, qui contrecarrent le champ incident.
Pour créer des pores de taille et de forme optimales, les chercheurs versent le matériau dans des moules pré-refroidis et lui permettent de geler lentement. La croissance des cristaux de glace crée la structure de pore optimale pour amortir les champs.
Avec cette méthode de production, l'effet d'amortissement peut même être spécifié dans différentes directions spatiales: si le matériau gèle dans le moule de bas en haut, l'effet d'amortissement électromagnétique est plus faible dans le sens vertical. Dans la direction horizontale – c'est-à-dire perpendiculaire à la direction de congélation – l'effet d'amortissement est optimisé.
Les structures de blindage ainsi moulées sont très flexibles: même après avoir été plié mille fois d'avant en arrière, l'effet d'amortissement est pratiquement le même qu'avec le matériau d'origine.
L'absorption souhaitée peut même être facilement ajustée en ajoutant plus ou moins de nanofils d'argent au composite, ainsi que par la porosité de l'aérogel coulé et l'épaisseur de la couche coulée.
Le bouclier électromagnétique le plus léger du monde
Dans une autre expérience, les chercheurs ont retiré les nanofils d'argent du matériau composite et connecté leurs nanofibres de cellulose à des nanoplaques bidimensionnelles de carbure de titane, qui ont été produites à l'aide d'un processus de gravure spécial.
Les nanoplaques agissent comme des « briques » dures qui sont assemblées avec un « mortier » flexible en fibres de cellulose. Cette formulation a également été congelée sous forme refroidie de manière ciblée. Par rapport au poids du matériau, aucun autre matériau ne peut réaliser un tel blindage.
Cela classe l'aérogel de nanocellulose en carbure de titane comme de loin le matériau de blindage électromagnétique le plus léger au monde.
La source:
Référence de la revue:
Zeng, Z., et al. (2020) Aérogels ultralégers, flexibles et biomimétiques nanocellulose / nanofils d'argent pour le blindage contre les interférences électromagnétiques. ACS Nano. doi.org/10.1021/acsnano.9b07452.
