محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی با لایه‌ای نازکتر از موی انسان

مجموعه: گزارشهای علمی

به گزارش ایسنا، یک گروه پژوهشی به سرپرستی دکتر «تائه‌هون کیم»(Taehoon Kim) از بخش پژوهش مواد کامپوزیت و همگرا در «مؤسسه علوم مواد کره جنوبی»(KIMS) با همکاری گروه دکتر «سئون جون کیم»(Seon Joon Kim) و دکتر «جائه‌وو کیم»(Jaewoo Kim) از «مؤسسه علم و فناوری کره» (KIST) موفق به توسعه یک لایه کامپوزیت فوق ‌نازک شده‌اند که ویژگی‌های محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی، پنهان‌سازی در طیف فروسرخ و استحکام مکانیکی بالا را در خود جمع کرده است.

به نقل از یورک‌الرت، پژوهشگران با ترکیب الیاف نانولوله‌ کربنی و مواد «مکسین»(MXene) در ساختاری شبیه به آجر و ملات، به این ویژگی‌های چندمنظوره دست یافتند. انتظار می‌رود این فناوری از سیستم‌های نظامی و الکترونیکی هوافضا محافظت کند و در عین حال، تداخل الکترومغناطیسی را در دستگاه‌های ارتباطی نسل پنجم و ششم و فناوری‌های الکترونیکی پوشیدنی کاهش دهد.

همگام با تکامل مداوم سامانه‌های دفاعی مدرن و تجهیزات الکترونیکی پیشرفته، تقاضا برای مواد محافظ سبک و انعطاف‌پذیری که قادر به محافظت همزمان در برابر شناسایی فروسرخ و تهدیدات الکترومغناطیسی باشند، رو به افزایش است. مواد محافظ فلزی متداول، سنگین و مستعد خوردگی هستند و انعطاف‌پذیری محدودی دارند.

الیاف نانولوله کربنی به دلیل سبک بودن، استحکام مکانیکی بالا و محافظت بسیار مؤثر در برابر تداخل الکترومغناطیسی، جایگزین خوبی را ارائه می‌دهند. با وجود این، مونتاژ آنها در لایه‌های بزرگ دشوار است و آنها انتشار فروسرخ نسبتاً بالایی را از خود نشان می‌دهند. مکسین، انتشار فروسرخ کمی دارد و به همین دلیل برای کاربردهای پنهان‌سازی، امیدوارکننده است اما استحکام مکانیکی نسبتاً ضعیف و پایداری بلندمدت، کاربرد عملی آن را محدود کرده است. این امر، نیاز به ماده‌ای را ایجاد کرده است که بتواند امکان محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی، پنهان‌سازی فروسرخ و ویژگی‌های مکانیکی قوی را همزمان فراهم کند.

پژوهشگران برای رفع این محدودیت‌ها، به کمک ترکیب الیاف نانولوله کربنی با مکسین، یک لایه کامپوزیت هیبریدی فوق نازک ساختند. آنها برای ادغام مؤثر مزایای این دو ماده، از ساختار آجر و ملات موجود در ساخت‌وساز الهام گرفتند. سطوح الیاف نانولوله کربنی ابتدا با گروه‌های آمین عامل‌دار شدند تا پیوند با مکسین را تقویت کنند. سپس، الیاف به طور مداوم از محلول مکسین عبور داده شدند و در کنار هم پیچیده شدند تا یک لایه را تشکیل دهند. در ساختار هیبریدی حاصل، الیاف نانولوله کربنی هم‌تراز به عنوان آجرهای ساختار عمل می‌کنند و مکسین با پر کردن فضاهای بین آنها به عنوان ملات رسانای الکتریکی عمل می‌کند.

این ساختار، لغزش بین الیاف نانولوله کربنی را مهار می‌کند و در نتیجه، استحکام مکانیکی لایه را افزایش می‌دهد. در عین حال، مسیرهای الکتریکی پیوسته‌ای را در سراسر ماده ایجاد می‌کند و عملکرد محافظت الکترومغناطیسی آن را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد. پوشش مکسین روی سطح لایه نیز انتشار فروسرخ را کاهش می‌دهد و میزان دید ماده را در سیستم‌های تشخیص فروسرخ مانند دوربین‌های تصویربرداری حرارتی کاهش می‌دهد.

این لایه با وجود ضخامت تنها ۱۷.۵ میکرومتر که تقریباً معادل یک‌پنجم ضخامت تار موی انسان است، به کارآیی محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی در حدود ۹۰ دسی‌بل دست یافت و بیش از ۹۹.۹۹۹۹۹۹۹ درصد از امواج الکترومغناطیسی فرودی در باندهای فرکانسی مخابراتی و راداری را مسدود کرد. همچنین این لایه، استحکام کششی ۱.۰۲ گیگاپاسکال را از خود نشان داد که حاکی از عملکرد مکانیکی قابل ‌مقایسه با فولادهای دارای استحکام بالاست. افزون بر این، لایه مذکور به‌ طور مؤثری تابش فروسرخ را سرکوب کرد و در مقایسه با لایه‌های متداول مکسین، عملکرد پایداری را در شرایط دمای بالا، رطوبت زیاد و تحت تغییر شکل‌ مکانیکی مکرر حفظ نمود.

از آنجا که این لایه جدید ضمن برخورداری از ضخامت کم و وزن ناچیز هم‌زمان قابلیت محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی و پنهان‌کاری در طیف فروسرخ را فراهم می‌کند، می‌توان از آن برای افزایش بقاپذیری سامانه‌های دفاعی نظیر هواپیماهای جنگنده و پهپادها و حفاظت از تجهیزات الکترونیکی هوافضا بهره برد. ماهیت انعطاف‌پذیر این لایه، آن را به گزینه‌ای مناسب برای استفاده به عنوان محافظ تداخل الکترومغناطیسی در دستگاه‌های مخابراتی نسل پنجم و ششم، تجهیزات الکترونیکی پوشیدنی و نسل جدید محصولات الکترونیکی تاشو یا قابل ‌انعطاف تبدیل کرده است.

این پژوهش در مجله «Advanced Composites and Hybrid Materials» به چاپ رسید.