Elektrogesponnenes Nanomaterial bietet hervorragenden Schutz

Elektrospinnen – eine hochmoderne Methode zur Herstellung von Nanomaterialien, die sich das faszinierende Verhalten der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten bei der Ansammlung elektrischer Ladung zunutze macht – wurde eingesetzt, um einen Stoff herzustellen, der vor Stößen schützen kann

Tsinghua University Press

Bild: Ein Cartoon, der MXene und magnetische Nanopartikel zeigt, die in Nanoblätter eingebettet und aus der Elektrospinnspritze zu Stofffäden geformt werden.mehr sehen

Bildnachweis: Nano Research, Tsinghua University Press

Ingenieure haben „Elektrospinnen“, eine neue Technik zur Herstellung von Nanomaterialien, eingesetzt, um ein neuartiges Gewebe herzustellen, das einen leistungsstarken Schutz gegen elektromagnetische Störungen bietet, ein Phänomen, das zu Fehlfunktionen elektronischer Geräte führen und bei hoher Belastung die menschliche Gesundheit schädigen kann.

Die Technik wird in einem am 31. Dezember 2022 in Nano Research veröffentlichten Artikel beschrieben.

Elektrische und magnetische Felder, die von elektrischen Geräten erzeugt werden, können digitale Systeme intern oder extern negativ beeinflussen. Solche Störungen können zu gefährlichen Fehlfunktionen führen, wenn solche Geräte nahe beieinander betrieben werden, insbesondere bei Transportgeräten oder medizinischen Geräten wie Herzschrittmachern und Insulinpumpen. Und diese Störungen können nicht nur elektronische Geräte betreffen, sondern bei sehr hohen Pegeln über kurze Zeiträume auch die menschliche Biologie, die sich teilweise bioelektromagnetische Prozesse zunutze macht, gefährdet sein.

Aus all diesen Gründen wird großer Aufwand betrieben, Menschen, Geräte und Geräteteile vor elektromagnetischen Störungen abzuschirmen. Um zu vermeiden, dass Geräte, insbesondere tragbare Geräte, übermäßig sperrig und schwer werden, muss eine solche Abschirmung auch leicht und flexibel sein.

Seit den 1960er-Jahren konzentriert man sich bei solchen Abschirmungen auf die Verwendung von Metalldrahtgeweben, mit Chemiefasern vermischten Metalldrähten und auf die Silberbeschichtung. Die hohen Kosten und die geringe Flexibilität stellten jedoch ein großes Hindernis für die breite Akzeptanz solcher elektromagnetischer Schutzstoffe dar.

In jüngerer Zeit und vor allem dank der elektromagnetischen Abschirmungsanforderungen militärischer Tarnkappentechnologien wurden neuartige kohlenstoffbasierte Materialien von Graphen über Kohlenstoffaerogele bis hin zu Kohlenstoffnanoröhren dank der speziellen Strukturen dieser Materialien mit großem Erfolg in verschiedenen elektromagnetischen Absorptions- und Abschirmungsanwendungen eingesetzt im mikroskopischen und nanoskaligen Bereich, die hauptsächlich auf der Streuung und Reflexion der Strahlung zwischen Schichten sowie dem Elektronentransfer beruhen, um eine hohe Dämpfung elektromagnetischer Wellen zu erreichen. Sie profitieren außerdem von ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit und Oberfläche, ihrem geringen Gewicht, ihrer Flexibilität und ihrer Umweltverträglichkeit.

Spezielle Netzstruktur-Verbundwerkstoffe, die durch die Kombination sogenannter eindimensionaler Materialien (außergewöhnlich dünne Bänder oder Drähte mit einer Länge zwischen 1 und 100 Nanometern und praktisch keiner Breite) und zweidimensionalen Materialien (ähnlich dünne Materialien, die jedoch in planarer Form vorliegen, wie z extrem dünnes Stück Papier) weisen besonders hervorragende Absorptions- und Abschirmeigenschaften für elektromagnetische Wellen auf.

„Aber selbst hier ist die Integration mehrerer Funktionen wie Schutz vor elektromagnetischen Wellen, Haltbarkeit und Komfort bei gleichzeitiger Beibehaltung der inhärenten Flexibilität von Stoffen nach wie vor eine gewaltige Herausforderung“, sagte Shuo Zhang, Hauptautor der Studie und Forscher am State Key Laboratory of Biofibers und Ökotextilien, College of Materials Science and Engineering der Universität Qingdao.

In den letzten Jahren hat jedoch eine Reihe zweidimensionaler Schichtstrukturen aus Carbiden (jede Verbindung aus Kohlenstoff und einem Metall) und Nitriden (jede anorganische Verbindung von Stickstoff) begonnen, die Aufmerksamkeit der Forscher auf dem Gebiet der elektromagnetischen Abschirmung auf sich zu ziehen. Diese 2D-Materialien werden „MXenes“ genannt, da sie aus „MAX“-Substanzen hergestellt werden, wobei das M für ein frühes Übergangsmetall wie Titan, Vanadium und Chrom steht; das A steht für eines der Elemente der Gruppe A im Periodensystem wie Aluminium, Silizium und Zinn; und das X steht für Kohlenstoff oder Stickstoff. Das Suffix „ene“ soll auf eine nanostrukturelle Ähnlichkeit mit Graphen hinweisen.

Typischerweise wurden diese MXene durch einen Ätzprozess durch Eintauchen einer MAX-Substanz in Flusssäure hergestellt. Ihre 2D-Schichtstruktur bietet viele Optionen für die interne Reflexion und bietet außerdem eine überlegene Elektronenübertragungseffizienz, eine große Oberfläche und mechanische Eigenschaften, die alle eine hervorragende Absorption elektromagnetischer Wellen ermöglichen.

Der bisher leistungsstärkste MXene hat einen Reflexionsverlust von -41,8 Dezibel bei 1,1 Millimetern erreicht.

Die Forscher dachten, sie könnten dies noch übertreffen, indem sie andere Herstellungsmethoden als das Ätzen erforschten, und wandten sich dem Elektrospinnen zu. Hierbei handelt es sich um eine Technik zur Herstellung extrem schmaler Fasern im Nanomaßstab. Eine Lösung, die das gewünschte Material enthält, wird in eine Spritze mit einer Nadelspitze gehalten und dann ermöglicht eine Hochspannungsquelle die Ansammlung elektrischer Ladung auf der Oberfläche der Flüssigkeit. Ab einem bestimmten Punkt übersteigt die elektrostatische Abstoßung zwischen Ladungen die Oberflächenspannung der Lösung. Dadurch entsteht ein extrem feiner Strahl der Flüssigkeit, der beim Herausspritzen aus der Spritze trocknet und durch elektrostatische Abstoßung noch weiter ausgedehnt wird.

Die Elektrospinning-Technologie bietet außerdem eine der einfachsten und kostengünstigsten Möglichkeiten zur Herstellung von Nanofasern und ist unkompliziert in der Handhabung.

Auch Mikrostruktur, Durchmesser, Ausrichtung und Stapeldichte der durch Elektrospinnen gewonnenen Fasern können durch Veränderung der Prozessparameter angepasst werden. Durch die Zugabe magnetischer Metallelemente zur Elektrospinning-Vorläuferlösung erzeugen die resultierenden Nanofaser-Verbundmembranen nach dem Elektrospinning und einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung einen erheblichen magnetischen Verlust, der die Dämpfungsleistung elektromagnetischer Wellen erheblich verbessert.

Die Forscher elektrogesponnen einen neuartigen Verbundstoff aus zweidimensionalen MXene-Nanoblättern in Kombination mit magnetischen Eisen- und Nickel-Nanopartikeln sowie eindimensionalen Kohlenstoffnanofasern (CNFs). Das mehrdimensionale elektromagnetische Schutzverbundgewebe, das durch Elektrospinnen gewonnen wird, vermeidet effektiv eine Agglomeration von 1D-Strukturen und eine Selbststapelung von 2D-Strukturen – Herausforderungen, die frühere elektromagnetische Absorbermaterialien von MXene in der Vergangenheit geplagt haben, während gleichzeitig die Kosten gesenkt und die Verarbeitungsschwierigkeiten beseitigt werden .

Ihr Material übertrifft in der Tat die bisherigen Leistungsträger und erreicht eine elektromagnetische Absorptionsleistung von -54,1 Dezibel bei 2,7 mm. Gleichzeitig bietet es hohe Flexibilität und eine leichte Wasserdichtigkeit, die dem Schutzgewebe in rauen Umgebungen eine überlegene Haltbarkeit verleiht.

Das Papier ist auch auf SciOpen (https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-5368-1) von Tsinghua University Press verfügbar.

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10.1007/s12274-022-5368-1

Elektrogesponnene Fe0,64Ni0,36/MXene/CNFs-Nanofasermembranen mit Mehrkomponenten-Heterostrukturen als flexible Absorber für elektromagnetische Wellen

31.12.2022

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