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El advenimiento de nanomateriales bidimensionales con propiedades superficiales modificables, como MXene, ha transformado recientemente el campo del blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI).
![Material MXene con poderes de blindaje electromagnético.](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_39836_1666717818771108.png)
Esquemas e imágenes TEM del compuesto de poliuretano a base de vadanio MXene filtrado al vacío. Crédito de la foto: Universidad de Drexel
Sin embargo, la fuerte conductividad eléctrica y la pérdida dieléctrica moderada de los MXenes convencionales basados en titanio dan como resultado un reflejo significativo de las ondas electromagnéticas, lo que resulta en una absorción mínima de microondas.
Un estudio reciente publicado en Cell Reports Physical Science aborda este problema al explotar la notable capacidad de absorción de microondas de los nuevos MXenes basados en vanadio.
Blindaje de interferencia electromagnética
El blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI) se refiere a los procesos y sustancias de fabricación para evitar que las señales electromagnéticas externas interfieran con las comunicaciones.
La interferencia electromagnética (EMI) puede interrumpir los equipos electrónicos, la maquinaria y las redes utilizadas en aplicaciones de misión crítica, como aviónica militar, pantallas táctiles comerciales y sistemas de transporte público. Tanto las fuentes artificiales como las naturales pueden causar interferencias electromagnéticas, y sus efectos pueden variar desde interrupciones temporales y pérdida de datos hasta fallas mecánicas e incluso accidentes fatales.
Con la complejidad de integración y la funcionalidad cada vez mayores de la tecnología moderna, el blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI) ha demostrado ser esencial para proteger la electrónica de bloqueos catastróficos de señales. El blindaje EMI tradicional se logra con materiales que reflejan la mayor parte de la radiación electromagnética (EM) incidente.
Desafortunadamente, estas radiaciones reflejadas aún pueden causar contaminación EM secundaria que es perjudicial para las interacciones de dispositivo a dispositivo. Por lo tanto, la sustancia de blindaje EMI óptima debería absorber en lugar de reflejar la radiación EM no deseada.
MXenes para blindaje contra interferencias electromagnéticas
Los MXenes son una familia de materiales inorgánicos bidimensionales compuestos por varias capas de carburos, nitruros o carbonitruros de metales de transición. Los MXenes son compuestos bidimensionales importantes porque combinan la conductividad metálica de los metales de transición con un notable carácter hidrofílico.
MXenes ha demostrado capacidades de blindaje EMI sin precedentes en recubrimientos delgados debido a su fuerte conductividad metálica. Por ejemplo, un recubrimiento MXene de 40 nanómetros de espesor puede proporcionar una eficiencia de blindaje EMI (SE) de 21 dB, lo que supera los estándares de blindaje industrial.
Si bien el blindaje EMI implica efectos de absorción y reflexión, el reflejo sigue dominando el rendimiento de blindaje de todos los MXene puros. Este fenómeno se debe al desajuste de impedancia de los MXenes puros, lo que dificulta la alta conductividad eléctrica y la absorción efectiva de microondas del material.
Los materiales absorbentes de microondas, que son compuestos de MXenes con sustancias como nanopartículas magnéticas, compuestos de carbono y semiconductores, ofrecen una estrategia alternativa para las aplicaciones de blindaje EMI. Estos materiales pueden absorber las ondas electromagnéticas entrantes y convertir la energía de microondas en energía térmica.
Limitaciones de los MXenes convencionales basados en titanio
En los últimos cinco años se han desarrollado varios compuestos MXene basados en titanio para abordar el desajuste de impedancia y la supresión de ondas EM del MXene puro. Sin embargo, estos compuestos exhiben una transmisión considerablemente alta y una baja pérdida dieléctrica en el rango de gigahercios, mientras que los absorbentes de ondas EM óptimos requieren una transmisión moderada y una gran pérdida tangencial.
Como resultado, es poco probable que los compuestos MXene a base de titanio produzcan una absorción de microondas efectiva en un amplio rango de frecuencia. Muchos grupos de investigación se han centrado recientemente en la introducción de materiales absorbentes de EM adicionales para MXenes basados en titanio, como B. Óxido de grafeno reducido para extender el espectro de absorción para aplicaciones de blindaje EMI y sigilo de radar.
Sin embargo, las ventajas de los MXenes basados en titanio se ven severamente disminuidas debido al mayor contenido de relleno y la arquitectura de interfaz compleja. Como resultado, la fabricación de absorbentes de microondas basados en MXene ligeros, económicos y de banda ancha sigue siendo difícil.
Además de MXenes basados en titanio, se han preparado experimentalmente alrededor de 30 MXenes estequiométricos para aplicaciones de interferencia electromagnética. Sin embargo, se sabe poco sobre sus propiedades dieléctricas, que son cruciales para mejorar la absorción electromagnética.
Aspectos destacados y desarrollos clave del estudio actual
En este estudio, los investigadores desarrollaron MXenes únicos basados en vanadio para aplicaciones de blindaje EMI. El objetivo principal del estudio fue investigar la absorción de microondas, las propiedades dieléctricas básicas y la capacidad de blindaje EMI de los MXenes basados en vanadio.
Los MXenes así preparados se combinaron con compuestos de poliuretano (PU) en diferentes proporciones para comprender la relación de los MXenes basados en vanadio con las microondas. Finalmente, se determinaron teórica y experimentalmente las propiedades eléctricas de los MXenes así producidos.
Los MXenes a base de vanadio en una matriz de poliuretano (PU) mostraron una absorción de microondas ultraeficaz (>90 % de las ondas EM absorbidas) en toda la banda X (8,2–12,4 GHz). Como resultado, los MXenes basados en vanadio así preparados superaron a los MXenes basados en titanio convencionales como materiales absorbentes de microondas.
La baja pérdida dieléctrica del MXene basado en vanadio, junto con sus propiedades superficiales variables, su naturaleza bidimensional y su alta movilidad del portador de carga, abre un nuevo horizonte para la creación de materiales de blindaje electromagnético basados en MXene delgados y altamente absorbentes.
Relación
Han, M. et al. (2022). Absorción eficiente de microondas con Vn+1CnorteTX MXenes. Informes celulares Ciencias físicas. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101073
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