El nanomaterial electrohilado ofrece una gran protección

El electrohilado, un método de vanguardia para la fabricación de nanomateriales que aprovecha el intrigante comportamiento de la tensión superficial del líquido cuando se enfrenta a una acumulación de carga eléctrica, se ha implementado para producir un tejido que puede proteger contra

Prensa de la Universidad de Tsinghua

imagen: Una caricatura que muestra MXene y nanopartículas magnéticas incrustadas en nanoláminas y formadas en hilos de tela fuera de la jeringa electrogiradora.ver más

Crédito: Nano Research, Prensa de la Universidad de Tsinghua

Los ingenieros han empleado 'electrospinning', una nueva técnica de fabricación de nanomateriales, para producir un tejido novedoso que ofrece una protección de alto rendimiento contra las interferencias electromagnéticas, un fenómeno que puede provocar el mal funcionamiento de los dispositivos electrónicos y que, a altos niveles de exposición, puede dañar la salud humana.

La técnica se describe en un artículo publicado en Nano Research el 31 de diciembre de 2022.

Los campos eléctricos y magnéticos generados por los equipos eléctricos pueden interferir negativamente con los sistemas digitales, ya sea interna o externamente. Tal interrupción puede dar lugar a fallos de funcionamiento peligrosos si dichos dispositivos funcionan cerca unos de otros, especialmente en el caso de equipos de transporte o médicos, como marcapasos y bombas de insulina. Y esta interferencia no solo puede afectar a los dispositivos electrónicos, sino que a niveles muy altos durante períodos cortos, también la biología humana, que en parte hace uso de procesos bioelectromagnéticos, puede estar en riesgo.

Por todas estas razones, se dedica un gran esfuerzo a proteger a las personas, los dispositivos y las partes de los dispositivos de las interferencias electromagnéticas. Para evitar que los dispositivos, en particular los portátiles, sean demasiado voluminosos y pesados, dicho blindaje también debe ser liviano y flexible.

Desde la década de 1960, dicho blindaje se ha centrado en el uso de telas de alambre de metal, alambre de metal mezclado con fibras químicas y chapado en plata. Sin embargo, el alto costo y la poca flexibilidad fueron una barrera importante para la aceptación generalizada de tales telas protectoras electromagnéticas.

Más recientemente, y en gran parte gracias a las necesidades de blindaje electromagnético de las tecnologías furtivas militares, se han aplicado con gran éxito nuevos materiales basados ​​en carbono, desde grafeno hasta aerogeles de carbono y nanotubos de carbono, en diversas aplicaciones de blindaje y absorción electromagnética gracias a las estructuras especiales de estos materiales. a escala microscópica y nanométrica que se basan principalmente en la dispersión y reflexión de la radiación entre capas, así como en la transferencia de electrones, para lograr una alta atenuación de las ondas electromagnéticas. También se benefician de su alta conductividad eléctrica y área de superficie, peso ligero, flexibilidad y sostenibilidad medioambiental.

Compuestos de estructura de malla especial construidos mediante la combinación de los llamados materiales unidimensionales (cintas o alambres excepcionalmente delgados entre 1 y 100 nanómetros de largo y sin ancho) y con materiales bidimensionales (materiales similarmente delgados pero que salen en forma plana, como un hoja de papel extremadamente delgada) tienen propiedades de protección y absorción de ondas electromagnéticas particularmente excelentes.

"Pero incluso aquí, la integración de múltiples funciones, como la protección contra ondas electromagnéticas, la durabilidad y la comodidad, al mismo tiempo que se mantiene la flexibilidad inherente de las telas, sigue siendo un desafío formidable", dijo Shuo Zhang, autor principal del artículo e investigador del State Key Laboratory of Biofibers. y Eco-textiles, Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Qingdao.

Sin embargo, en los últimos años, una serie de estructuras en capas bidimensionales hechas de carburos (cualquier compuesto de carbono y un metal) y nitruros (cualquier compuesto inorgánico de nitrógeno) han comenzado a llamar la atención entre los investigadores de blindaje electromagnético. Estos materiales 2D se denominan 'MXenes' ya que se producen a partir de sustancias 'MAX', donde la M representa un metal de transición temprana como el titanio, el vanadio y el cromo; la A representa cualquiera de los elementos del Grupo A en la tabla periódica, como aluminio, silicio y estaño; y la X representa carbono o nitrógeno. El sufijo 'ene' está ahí para sugerir una similitud nanoestructural con el grafeno.

Por lo general, estos MXenes se han producido mediante un proceso de grabado al sumergir una sustancia MAX en ácido fluorhídrico. Su estructura en capas 2D ofrece muchas opciones para la reflexión interna, además de ofrecer una eficiencia de transferencia de electrones superior, un área de superficie alta y propiedades mecánicas, todo lo cual brinda una excelente absorción de ondas electromagnéticas.

El MXene con mejor rendimiento hasta el momento ha logrado un rendimiento de "pérdida de reflexión" de -41,8 decibelios a 1,1 milímetros.

Los investigadores pensaron que podrían superar esto explorando otros métodos de fabricación además del grabado, y buscaron el electrohilado. Esta es una técnica de fabricación de fibras extremadamente estrechas a escala nanométrica. Una solución que contiene el material deseado se mantiene en una jeringa con una aguja en la punta y luego una fuente de energía de alto voltaje permite que la carga eléctrica se acumule en la superficie del líquido. En cierto punto, la repulsión electrostática entre cargas excede la tensión superficial de la solución. Esto produce un chorro extremadamente fino del líquido, que se seca a medida que sale de la jeringa y se estira aún más por repulsión electrostática.

La tecnología de electrohilado también ofrece una de las formas más sencillas y económicas de preparar nanofibras, además de ser fácil de operar.

La microestructura, el diámetro, la orientación y la densidad de apilamiento de las fibras obtenidas por electrohilado también se pueden ajustar cambiando los parámetros del proceso. Al agregar elementos metálicos magnéticos a la solución precursora de electrohilado, después del electrohilado y un tratamiento térmico a alta temperatura, las membranas compuestas de nanofibras resultantes producen una pérdida magnética significativa que mejora significativamente el rendimiento de atenuación de ondas electromagnéticas.

Los investigadores electrohilaron un compuesto novedoso de nanoláminas MXene bidimensionales combinadas con nanopartículas magnéticas de hierro y níquel, así como nanofibras de carbono unidimensionales (CNF). La tela de protección electromagnética compuesta multidimensional obtenida por electrospinning evita efectivamente una aglomeración de estructuras 1D y un autoapilamiento de estructuras 2D, desafíos que han acosado al material absorbente electromagnético MXene fabricado en el pasado, al tiempo que reduce drásticamente los costos y elimina la dificultad de procesamiento. .

De hecho, su material superó al mejor rendimiento anterior, logrando un rendimiento de absorción electromagnética de -54,1 decibelios a 2,7 mm, al tiempo que ofrece una alta flexibilidad y una impermeabilización ligera que ofrece una durabilidad superior a la tela protectora en entornos hostiles.

El artículo también está disponible en SciOpen (https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-5368-1) de Tsinghua University Press.

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Nano investigación

10.1007/s12274-022-5368-1

Electrospun Fe0.64Ni0.36/MXene/CNFs Membranas nanofibrosas con heteroestructuras multicomponente como absorbentes de ondas electromagnéticas flexibles

31-dic-2022

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