Le nanomatériau électrofilé offre une excellente protection

L'électrofilature, une méthode de fabrication de nanomatériaux de pointe qui tire parti du comportement intrigant de la tension superficielle du liquide face à une accumulation de charge électrique, a été déployée pour produire un tissu qui peut protéger contre

Presse universitaire de Tsinghua

image : Un dessin animé montrant du MXène et des nanoparticules magnétiques incorporées dans des nanofeuilles et formées en fils de tissu à partir de la seringue d'électrofilage.Voir plus

Crédit : Nano Research, Presses universitaires de Tsinghua

Les ingénieurs ont utilisé « l'électrofilage », une nouvelle technique de fabrication de nanomatériaux, pour produire un nouveau tissu qui offre une protection haute performance contre les interférences électromagnétiques, un phénomène qui peut entraîner un dysfonctionnement des appareils électroniques et qui, à des niveaux élevés d'exposition, peut nuire à la santé humaine.

La technique est décrite dans un article publié dans Nano Research le 31 décembre 2022.

Les champs électriques et magnétiques générés par les équipements électriques peuvent interférer négativement avec les systèmes numériques en interne ou en externe. Une telle perturbation peut entraîner des dysfonctionnements dangereux si ces appareils fonctionnent à proximité les uns des autres, en particulier dans le cas de transport ou d'équipements médicaux tels que les stimulateurs cardiaques et les pompes à insuline. Et ces interférences peuvent non seulement affecter les appareils électroniques, mais à des niveaux très élevés sur de courtes périodes, la biologie humaine, qui utilise en partie des processus bioélectromagnétiques, peut également être menacée.

Pour toutes ces raisons, de nombreux efforts sont déployés pour protéger les personnes, les appareils et les parties d'appareils contre les interférences électromagnétiques. Pour éviter de rendre les appareils, en particulier ceux portables, trop encombrants et lourds, un tel blindage doit également être léger et flexible.

Depuis les années 1960, un tel blindage s'est concentré sur l'utilisation de tissus de fils métalliques, de fils métalliques mélangés à des fibres chimiques et de placage de ruban. Le coût élevé et la faible flexibilité étaient cependant un obstacle majeur à l'acceptation généralisée de ces tissus de protection électromagnétique.

Plus récemment, et en grande partie grâce aux besoins de blindage électromagnétique des technologies militaires furtives, de nouveaux matériaux à base de carbone allant du graphène aux aérogels de carbone et aux nanotubes de carbone ont été appliqués avec grand succès dans diverses applications d'absorption et de blindage électromagnétiques grâce aux structures spéciales de ces matériaux à l'échelle microscopique et nanométrique qui reposent principalement sur la diffusion et la réflexion du rayonnement entre les couches, ainsi que sur le transfert d'électrons, pour obtenir une atténuation élevée des ondes électromagnétiques. Ils bénéficient également de leur conductivité électrique et de leur surface élevées, de leur légèreté, de leur flexibilité et de leur durabilité environnementale.

Les composites spéciaux à structure maillée construits en combinant des matériaux dits unidimensionnels (des rubans ou des fils exceptionnellement minces entre 1 et 100 nanomètres de longueur et effectivement pas de largeur) et des matériaux bidimensionnels (des matériaux tout aussi minces mais se présentant sous une forme plane, comme un morceau de papier extrêmement fin) ont des propriétés d'absorption et de blindage des ondes électromagnétiques particulièrement excellentes.

« Mais même ici, l'intégration de multiples fonctions telles que la protection contre les ondes électromagnétiques, la durabilité et le confort tout en maintenant la flexibilité inhérente des tissus est restée un formidable défi », a déclaré Shuo Zhang, auteur principal de l'article et chercheur au State Key Laboratory of Biofibers and Eco-textiles, College of Materials Science and Engineering de l'Université de Qingdao.

Cependant, ces dernières années, une série de structures en couches bidimensionnelles constituées de carbures (tout composé de carbone et d'un métal) et de nitrures (tout composé inorganique d'azote) ont commencé à attirer l'attention des chercheurs en blindage électromagnétique. Ces matériaux 2D sont appelés « MXènes » car ils sont produits à partir de substances « MAX », où le M représente un métal de transition précoce tel que le titane, le vanadium et le chrome ; le A représente l'un des éléments du groupe A du tableau périodique, tels que l'aluminium, le silicium et l'étain ; et le X représente le carbone ou l'azote. Le suffixe « ene » est là pour suggérer une similitude nano-structurelle avec le graphène.

Généralement, ces MXènes ont été produits via un processus de gravure en immergeant une substance MAX dans de l'acide fluorhydrique. Leur structure en couches 2D offre de nombreuses options de réflexion interne, ainsi qu'une efficacité de transfert d'électrons supérieure, une surface élevée et des propriétés mécaniques, qui offrent toutes une excellente absorption des ondes électromagnétiques.

Le MXene le plus performant à ce jour a atteint une performance de "perte de réflexion" de -41,8 décibels à 1,1 millimètre.

Les chercheurs pensaient pouvoir surpasser cela en explorant d'autres méthodes de fabrication que la gravure et se sont tournés vers l'électrofilage. Il s'agit d'une technique de fabrication de fibres extrêmement étroites à l'échelle nanométrique. Une solution contenant le matériau souhaité est maintenue dans une seringue munie d'une aiguille, puis une source d'alimentation à haute tension permet à la charge électrique de s'accumuler à la surface du liquide. À un certain point, la répulsion électrostatique entre les charges dépasse la tension superficielle de la solution. Cela produit un jet extrêmement fin de liquide, séchant lorsqu'il jaillit de la seringue et s'étirant encore plus loin par répulsion électrostatique.

La technologie d'électrofilage offre également l'un des moyens les plus simples et les moins chers de préparer des nanofibres, tout en étant simple à utiliser.

La microstructure, le diamètre, l'orientation et la densité d'empilement des fibres obtenues par électrofilage peuvent également être ajustés en modifiant les paramètres du procédé. En ajoutant des éléments métalliques magnétiques à la solution de précurseur d'électrofilage, après l'électrofilage et un traitement thermique à haute température, les membranes composites nanofibreuses résultantes produisent une perte magnétique importante qui améliore considérablement les performances d'atténuation des ondes électromagnétiques.

Les chercheurs ont électrofilé un nouveau composite de nanofeuilles de MXène bidimensionnelles combinées à des nanoparticules magnétiques de fer et de nickel, ainsi qu'à des nanofibres de carbone unidimensionnelles (CNF). Le tissu de protection électromagnétique composite multidimensionnel obtenu par électrofilage évite efficacement une agglomération de structures 1D et un auto-empilement de structures 2D - des défis qui ont affligé le matériau absorbant électromagnétique MXene fabriqué dans le passé, tout en réduisant les coûts et en éliminant la difficulté de traitement.

Leur matériau a en effet battu le meilleur des performances précédentes, atteignant une performance d'absorption électromagnétique de -54,1 décibels à 2,7 mm, tout en offrant une grande flexibilité et une imperméabilité légère qui offre une durabilité supérieure au tissu de protection dans les environnements difficiles.

Le document est également disponible sur SciOpen (https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-5368-1) par Tsinghua University Press.

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10.1007/s12274-022-5368-1

Membranes nanofibreuses Fe0.64Ni0.36/MXene/CNFs électrofilées avec hétérostructures multicomposants comme absorbeurs d'ondes électromagnétiques flexibles

31-déc-2022

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