[ad_1]
(Foco Nanowerk) La rápida integración de sistemas y módulos multifuncionales de alta densidad en la electrónica moderna ha puesto en primer plano la cuestión de la compatibilidad electromagnética. Los materiales conductores tradicionales, como los metales, son componentes importantes de los instrumentos electrónicos, pero su inherente desajuste de impedancia en el aire da como resultado una fuerte reflexión de las ondas electromagnéticas incidentes. Esta baja transparencia o permeabilidad electromagnética puede afectar la comunicación de señales en el medio ambiente.
Lograr una alta conductividad eléctrica manteniendo una baja reflectividad electromagnética y una alta transmitancia ha sido un objetivo difícil de alcanzar. Los metales tienen una excelente conductividad debido a sus altas concentraciones de portadores de carga, pero esto da como resultado una resistencia intrínseca a las ondas significativamente menor en comparación con el aire, lo que resulta en fuertes reflejos. Por otro lado, los materiales electromagnéticamente transparentes, como las fibras de vidrio, tienen una alta permeabilidad pero ninguna conductividad. Los intentos de combinar estas diferentes características a menudo fracasaron.
Los avances recientes en materiales bidimensionales, en particular el grafeno, han abierto nuevas formas de abordar este desafío. El grafeno tiene propiedades eléctricas y electromagnéticas excepcionales gracias a su estructura atómica única y su configuración de bandas electrónicas. Su alta movilidad de portadores de carga permite una conductividad que rivaliza con la de los metales, mientras que la baja concentración de portadores de carga promueve la adaptación de impedancias en el aire. Los análisis teóricos sugirieron que el grafeno podría lograr la sinergia buscada de alta conductividad, baja reflectividad y alta transmitancia.
Aprovechando este potencial, los investigadores han desarrollado un innovador tejido de fibra de vidrio de grafeno que combina con éxito las propiedades intrínsecas del grafeno con las propiedades dieléctricas y la estructura porosa de un sustrato de tejido de fibra de vidrio. El trabajo dirigido por el profesor Zhongfan Liu y su equipo representa un paso importante hacia la eliminación de la incompatibilidad entre la conductividad eléctrica y la permeabilidad electromagnética que se produce con los materiales conductores tradicionales.
Los resultados fueron reportados Materiales avanzados (“Superar la incompatibilidad entre la conductividad eléctrica y la permeabilidad electromagnética: una estrategia de diseño para tejidos de fibra de vidrio con grafeno”).
![Desacoplamiento del grafeno cultivado por deposición química de vapor (CVD) de fibras de vidrio hidroxiladas fundidas en la superficie](https://www.nanowerk.com/spotlight/id65124_1.jpg)
En el centro de su logro se encuentra una novedosa estrategia de crecimiento de desacoplamiento mediante deposición química de vapor, que permite la producción controlada de grafeno confinado en capas de alta calidad directamente sobre fibras de vidrio no catalíticas y no metálicas. El proceso implica fundir la superficie del tejido de fibra de vidrio a altas temperaturas y utilizar metanol como precursor de carbono para lograr la hidroxilación de la superficie.
Este paso crucial permite que el grafeno se desacople de la superficie de fibra de vidrio durante el crecimiento, lo que da como resultado dominios de mayor tamaño, menos defectos y un mejor control sobre el número de capas.
El tejido de fibra de vidrio y grafeno resultante mostró propiedades notables. Con valores de resistencia de lámina comparables, demostró una reflectividad electromagnética significativamente menor y una transmitancia mayor en comparación con su contraparte de metal, la tela de fibra de vidrio recubierta de cobre. La macroestructura jerárquica y altamente porosa del tejido de fibra de vidrio también jugó un papel crucial en la reducción de la reflectividad y la mejora de la transmisividad.
Caracterizaciones y simulaciones rigurosas confirmaron las ventajas de los tejidos de fibra de vidrio de grafeno, que constan de pocas capas de grafeno con grandes tamaños de dominio y bajas densidades de defectos. En comparación con los materiales con grafeno defectuoso multicapa, las muestras optimizadas mostraron valores superiores de permitividad, reflexión y transmisión en el rango de frecuencia de gigahercios. Los tejidos mantuvieron un alto rendimiento en una banda ancha de 2 a 18 GHz, destacando su excelente transparencia de banda ancha.
Además de sus impresionantes propiedades electromagnéticas, los tejidos de fibra de vidrio con grafeno también destacaron en aplicaciones electrotérmicas prácticas. Cuando se procesaron en calentadores Joule, demostraron velocidades de calentamiento rápidas, distribuciones uniformes de temperatura y una estabilidad cíclica excepcional que superó a los calentadores tradicionales a base de metal. La fuerte adhesión interfacial entre las capas de grafeno y las fibras de vidrio, combinada con la delgadez atómica del grafeno, dio a los materiales una flexibilidad y resistencia a la deformación superiores en comparación con sus homólogos metálicos.
![Comparaciones de las propiedades eléctricas y EM del tejido de fibra de vidrio de grafeno (GGFF) y del tejido de fibra de vidrio recubierto de cobre (CuGFF)](https://www.nanowerk.com/spotlight/id65124_2.jpg)
El impacto de este trabajo va más allá de los resultados inmediatos. La integración exitosa de las propiedades intrínsecas del grafeno en el sustrato de tela de fibra de vidrio abre nuevas posibilidades para materiales multifuncionales que pueden combinar a la perfección capacidades eléctricas y electromagnéticas. Las aplicaciones potenciales incluyen tecnologías de radar, antenas y sigilo, donde las propiedades únicas del tejido podrían permitir niveles de rendimiento y compatibilidad antes inalcanzables.
Además, la estrategia de crecimiento por deposición química de vapor de desacoplamiento presentada en este estudio representa una herramienta valiosa para la síntesis controlada de grafeno de alta calidad en sustratos no catalíticos y no metálicos. Esto allana el camino para la explotación de las propiedades excepcionales del grafeno en una gama más amplia de materiales compuestos. y arquitecturas de dispositivos.
Como ocurre con cualquier investigación innovadora, persisten desafíos en términos de escalabilidad, coherencia y durabilidad a largo plazo. Sin embargo, el tejido de fibra de vidrio de grafeno es un testimonio del poder de los diseños de materiales innovadores y las estrategias de crecimiento que traspasan los límites de lo posible. Al superar el antiguo equilibrio entre conductividad eléctrica y transparencia electromagnética, este trabajo abre nuevas fronteras en la tecnología electrónica y electromagnética.
El desarrollo del tejido de fibra de vidrio con grafeno representa un avance significativo en la búsqueda de materiales multifuncionales que puedan integrar conductividad eléctrica y transparencia electromagnética. El enfoque innovador del equipo de investigación abre nuevas posibilidades para aplicaciones en áreas como radar, sistemas de antenas y tecnologías furtivas.
Por ejemplo, las propiedades únicas del tejido podrían permitir la creación de radomos avanzados que protejan los sistemas de radar y al mismo tiempo garanticen una atenuación mínima de la señal. En aplicaciones de antenas, el material podría usarse para diseñar estructuras livianas, conformes y electromagnéticamente transparentes que mantengan una alta conductividad para una transmisión y recepción eficiente de señales.
Además, la baja reflectividad y la alta transparencia del tejido lo convierten en un candidato prometedor para tecnologías sigilosas, donde podría usarse en la construcción de ventanas electromagnéticas para aviones o superficies absorbentes de radar.
A medida que los procesos de fabricación continúan refinándose y ampliándose, el potencial de los tejidos de fibra de vidrio de grafeno para revolucionar estas y otras industrias se vuelve más evidente. Con investigación y desarrollo continuos, este material innovador podría desempeñar un papel fundamental en la configuración del futuro de la electrónica avanzada y los sistemas electromagnéticos.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
Nanowerk LLC
¡Conviértete en autor invitado de Spotlight! Únase a nuestro gran y creciente grupo de autores invitados. ¿Acaba de publicar un artículo científico o le gustaría compartir otros desarrollos interesantes con la comunidad de nanotecnología? Cómo publicar en nanowerk.com.
[ad_2]