Una muestra del material de blindaje electromagnético producido en Empa: un material compuesto de nanofibras de celulosa y nanocables de plata. Foto: Empa
Los investigadores de Empa han logrado fabricar aerogeles utilizables en microelectrónica: Los aerogeles basados en nanofibras de celulosa pueden apantallar eficazmente la radiación electromagnética en amplias gamas de frecuencias, y su ligereza no tiene rival.
Los motores eléctricos y los dispositivos electrónicos generan campos electromagnéticos que a veces hay que apantallar para que no afecten a los componentes electrónicos vecinos o a la transmisión de señales. Los campos electromagnéticos de alta frecuencia sólo pueden protegerse con cubiertas conductoras cerradas por todos sus lados. Para ello se suelen utilizar láminas metálicas finas o películas de vapor metálico. Sin embargo, para muchas aplicaciones, este tipo de blindaje es demasiado pesado o difícil de adaptar a la geometría dada. Lo ideal sería un material ligero, flexible y duradero con un efecto de apantallamiento extremadamente elevado.
Aerogeles contra la radiación electromagnética
Un equipo de investigación dirigido por Zhihui Zeng y Gustav Nyström ha logrado un gran avance en este campo. Los investigadores utilizan nanofibras de celulosa como base de un aerogel, un material ligero y muy poroso. Las fibras de celulosa se obtienen de la madera y su estructura química permite una amplia gama de modificaciones químicas. Por ello, son un codiciado objeto de investigación. El factor decisivo en el procesamiento y la modificación de estas nanofibras de celulosa es que se pueden producir determinadas microestructuras de forma definida e interpretar los efectos resultantes. Estas relaciones entre estructura y propiedades son precisamente el área de investigación del equipo de Nyström en Empa.
Los investigadores han logrado producir una mezcla de nanofibras de celulosa y nanocables de plata para crear finas estructuras ultraligeras que proporcionan un excelente blindaje contra la radiación electromagnética. La eficacia del material es impresionante: con una densidad de sólo 1,7 miligramos por centímetro cúbico, el aerogel de celulosa reforzado con plata consigue un blindaje de más de 40 dB en la gama de frecuencias de la radiación de radar de alta resolución (de 8 a 12 GHz): Casi toda la radiación en esta gama de frecuencias es interceptada por el material.
Los cristales de hielo controlan la forma
No sólo la mezcla correcta de hilos de celulosa y plata es decisiva para el efecto de apantallamiento, sino también la estructura porosa del material. Los campos electromagnéticos se reflejan de un lado a otro dentro de los poros y también desencadenan campos electromagnéticos en el material compuesto, que contrarrestan el campo irradiado. Para conseguir poros del tamaño y la forma óptimos, los investigadores vierten el material en moldes previamente enfriados y dejan que se congele lentamente. El crecimiento de los cristales de hielo crea la estructura de poros óptima para amortiguar los campos.
Con este método de producción, el efecto de atenuación puede incluso especificarse en distintas direcciones espaciales: Si el material se congela de abajo arriba en el molde, la atenuación electromagnética es menor en la dirección vertical. En la dirección horizontal, es decir, perpendicular a la dirección de congelación, la atenuación se optimiza. Las estructuras de apantallamiento moldeadas de este modo son extremadamente flexibles: incluso después de doblarlas miles de veces hacia delante y hacia atrás, el efecto atenuador es prácticamente el mismo que con el nuevo material. La absorción deseada puede incluso ajustarse ligeramente añadiendo más o menos nanocables de plata a la mezcla, mediante la porosidad del aerogel moldeado y el grosor de la capa moldeada.
El escudo electromagnético más ligero del mundo
En otro experimento, los investigadores omitieron los nanocables de plata de la mezcla y combinaron sus nanofibras de celulosa con nanoplaquetas bidimensionales de carburo de titanio, producidas mediante un proceso de grabado especial. Las nanoplaquetas actúan como "ladrillos" duros unidos con una "argamasa" flexible hecha de fibras de celulosa. Esta mezcla también se congeló específicamente en moldes refrigerados. En términos de peso del material, ningún otro material puede alcanzar este nivel de blindaje. Esto convierte al aerogel de nanocelulosa de carburo de titanio en el material de blindaje electromagnético más ligero del mundo.
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