Новий матеріал, ледве товщий харчової плівки, може блокувати понад 99,9999999% електромагнітних хвиль на частотах, які використовуються в радарах і комунікаціях. Він також гнучкий, надзвичайно міцний, і його важко побачити за допомогою інфрачервоної камери.
Це незвичайне поєднання властивостей може зробити плівку корисною у військових літаках, дронах і космічних кораблях, де інженери хочуть захистити чутливу електроніку без додавання екрану з важких металів. Він також може знайти свій шлях до телефонів, переносних пристроїв та електроніки майбутнього.
Дослідники з Південної Кореї виготовили плівку з двох матеріалів із дуже різною міцністю: волокон вуглецевих нанотрубок, які є легкими та надзвичайно міцними, та листового матеріалу під назвою MXene, який добре проводить електрику та випромінює відносно мало інфрачервоного випромінювання.
Результат – товщина всього 17,5 мікрометрів, що в п’ять разів менше людської волосини. Але навіть при такому розмірі він може витримувати сили розтягування, які можна порівняти з міцною сталлю.
Цегляна стіна занадто мала, щоб її побачити
Проблема, з якою зіткнулися дослідники, полягала в тому, що жоден із матеріалів не працював добре окремо.
Волокна вуглецевих нанотрубок – це, по суті, нитки, виготовлені з мікроскопічних вуглецевих трубок. Вони легкі, гнучкі та міцні, через них легко проходить електрика. Але зробити з цих волокон великі міцні листи складно як у лабораторії, так і в промислових умовах. Волокна можуть перетинатися і послаблювати матеріал. Вони також випромінюють достатньо тепла, щоб відрізнятися від інфрачервоних камер.
MXene має майже протилежні сильні та слабкі сторони. Він може утворювати тонкі провідні листи та випромінює відносно мало інфрачервоного випромінювання, що робить його привабливим для теплового камуфляжу. Але плівки MXene можуть бути нестабільними та з часом псуватися.
Нарешті інженерне рішення було знайдено, коли один із південнокорейських дослідників задумався про цегляну кладку.
Вони вишикували волокна вуглецевих нанотрубок як «цеглинки» і заповнили простір між ними «мінометом» MXene. Вони спочатку хімічно обробили волокна, щоб MXene прилипав до них більш рівномірно. Це зупиняє рух волокон і створює взаємопов’язану мережу, через яку може протікати електроенергія.
«Ключ до цієї технології полягає в тому, щоб об’єднати наноматеріали з різними властивостями, як-от цегла та будівельний розчин, щоб зберегти їхні сильні сторони та компенсувати відповідні недоліки», — сказав Техун Кім з Корейського інституту науки та технологій, який керував дослідженням, у прес-релізі інституту.
Готовий матеріал досяг міцності на розрив 1,02 гігапаскаля, що майже вдвічі перевищує міцність плівки, виготовленої лише з волокон нанотрубок під час випробувань дослідників. Згідно з дослідженням, це також відбувалося після багаторазового згинання та впливу умов навколишнього середовища.
Приховує від кількох типів детекторів
Електромагнітне екранування було особливо цікавим.
На радіолокаційних і комунікаційних частотах плівка досягла екранування близько 90 децибел або більше, що, за словами дослідників, означає, що понад 99,9999999 відсотків вхідних електромагнітних хвиль блокуються. Випробування охоплювали частоти, які використовуються в радарах, а також деякі високочастотні системи 5G і 6G.
Важливе зауваження: незвичайні характеристики плівки стосуються електромагнітного екранування, а не радіолокаційної невидимості. Він блокує радіочастотні хвилі від проходження через матеріал, що може захистити чутливу електроніку від перешкод, перешкод або електромагнітних імпульсів. Але традиційний радіолокаційний стелс вимагає зменшення сигналу до радіолокаційного приймача, і дослідники не тестували плівку для цієї мети.
У той же час покриття MXene зменшило кількість інфрачервоної енергії, що випромінюється з поверхні. Тому теплова камера бачить набагато слабший тепловий сигнал, який надходить лише від вуглецевих нанотрубок. Дослідники виявили, що цей ефект тривав від кімнатної температури до 300 градусів.
За цією комбінацією вчені відстежували кілька років. У 2024 році інша група повідомила про 15-мікрометровий MXene та плівку з вуглецевих нанотрубок, яка поєднувала електромагнітне екранування з інфрачервоним камуфляжем. Цей матеріал має рівень захисту 72 децибели і міцність 77 мегапаскалів. Нова конструкція досягає понад 90 децибел, при цьому вона більш ніж у 10 разів потужніша, хоча дослідження використовували дещо інші конструкції та тести.
На даний момент фільм залишається лабораторним матеріалом, а не чимось готовим для обгортання винищувача шостого покоління. Команді все ще потрібно виготовити більші аркуші та показати, що вони можуть витримати роки використання в реальному світі.
«Ми очікуємо, що цей багатофункціональний матеріал знайде широке застосування не тільки в майбутніх оборонних системах та аерокосмічних технологіях, але й у вирішенні проблем електромагнітних перешкод у пристроях наступного покоління та носимій електроніці», — сказав Кім у релізі KIMS.
Про це повідомляється в журналі Сучасні композити та гібридні матеріали.
