Vedci vytvorili prelomový „plast“ z bambusu. Je výrazne pevnejší a funguje ako elektromagnetický štít

Rastúci počet elektronických zariadení, ako sú smartfóny, notebooky či nositeľná elektronika, so sebou prináša stále pálčivejší problém v podobe elektromagnetického rušenia. Nežiaduci šum a interferencie môžu vážne narušiť fungovanie citlivých obvodov.

Tradičné vodivé materiály používané na tienenie síce dokážu elektromagnetické vlny odraziť, no tým často vytvárajú sekundárne rušenie pre okolité komponenty. Čínski vedci z Poľnohospodárskej univerzity v An-chuej v Che-feji však prišli s inovatívnym riešením, píše Interesting Engineering. Vyvinuli nový kompozitný materiál na báze bambusu a bioplastov, ktorý elektromagnetické žiarenie primárne neodráža, ale ho účinne pohlcuje, pričom zároveň dosahuje vynikajúce mechanické vlastnosti.

Ukladanie uhlíka na dlhú dobu

Základom tohto pokročilého kompozitu je bambusové biouhlie, čo je materiál bohatý na uhlík, vznikajúci termochemickým rozkladom organického materiálu bez prístupu kyslíka, procesom známym ako pyrolýza.

Biouhlie predstavuje ekologickú a obnoviteľnú náhradu za klasické vodivé výplne, akými sú syntetické uhlíkové vlákna či nanotrubice. Samotné surové biouhlie má však určité obmedzenia. Vyznačuje sa relatívne nízkou elektrickou vodivosťou a slabou väzobnou schopnosťou s plastovými matricami, čo v minulosti výrazne limitovalo jeho praktické využitie vo vysokovýkonných elektronických aplikáciách.

Aby výskumníci tieto nedostatky prekonali, aplikovali dvojstupňovú úpravu. Najprv bambusový prášok zahriali pod dusíkovou atmosférou, čím získali základné biouhlie. Následne použili technológiu bleskového Jouleovho ohrevu, nazývanú aj odporové či ohmické zahrievanie.

Inovatívna metóda využíva krátky, no extrémne intenzívny impulz elektrickej energie, ktorý v zlomku sekundy zmení a usporiada uhlíkovú štruktúru materiálu. Dramaticky sa tak zvýšila jeho elektrická vodivosť z pôvodných 1,7 siemensov na centimeter (S/cm) pri neupravenom biouhlí až na 12,8 S/cm. Potom výskumníci častice ošetrili chemickou látkou APTES (aminopropyltrietoxysilán), ktorá funguje ako spojovací agent zlepšujúci adhéziu a medzifázovú väzbu s plastovou matricou.

Dôležitým architektonickým prvkom nového materiálu je jeho vrstvená štruktúra. Modifikované častice biouhlia neboli do plastu zamiešané chaoticky, ale boli presne umiestnené medzi vrstvy dvoch plne biologicky odbúrateľných plastov, ktorými sú kyselina polylaktická (PLA) a polybutylén adipát-ko-tereftalát (PBAT).

Výborné laboratórne výsledky

Spománaný sendvičový dizajn vytvoril vnútri kompozitu zložité vodivé dráhy. Keď elektromagnetická vlna vstúpi do materiálu, vnútorná uhlíková sieť a viacvrstvové rozhrania ju prinútia prekonávať podstatne dlhšiu dráhu, počas ktorej dochádza k jej opakovanému lomu, rozptylu a postupnému oslabovaniu.

ChatGPT

Laboratórne merania potvrdili mimoriadnu účinnosť tohto prístupu. Vo frekvenčnom pásme 8,2 až 12,4 gigahertzov (GHz), ktoré sa bežne používajú v radarových a komunikačných technológiách, dosiahol optimalizovaný vrstvený kompozit priemerné tienenie na úrovni 36,7 decibelov (dB). Pre porovnanie, nevrstvený kompozit s rovnakým množstvom výplne dokázal zablokovať len 7,5 dB.

Kľúčové pritom je, že prevažná väčšina tieniaceho efektu, až 30,8 dB, pripadá práve na absorpciu elektromagnetických vĺn, zatiaľ čo odraz tvorí iba 5,9 dB. Zariadenia obalené týmto materiálom tak nezaťažujú svoje okolie odrazeným žiarením.

Popri špičkových elektromagnetických vlastnostiach sa výskumníkom podarilo výrazne posilniť aj mechanickú odolnosť kompozitu. V porovnaní s bežnými plastmi sa pevnosť v ťahu zvýšila o 81 percent na hodnotu 25,5 megapascals (MPa).

Húževnatosť materiálu vzrástla dokonca o 173 percent na 2,68 megajoulov na meter kubický. Významné zlepšenie zaznamenala aj elastická deformácia, teda schopnosť materiálu natiahnuť sa pred prasknutím sa viac ako zdvojnásobila z 11,5 percenta na 24,7 percenta. Nový materiál teda nie je krehký a dokáže odolať značnej mechanickej záťaži.

Čítajte viac z kategórie: Novinky