新法拉第笼可以关闭和打开？

CHONG MIN KOO

一项新的研究发现，新型法拉第笼（Faraday cages）——可以阻挡无线信号的金属网外壳——也可以打开和关闭，以实现对噪声的可逆保护。

此外，研究人员表示，这些新的防护罩可以通过类似于喷漆的技术轻松制造，这有助于它们在电子产品中的应用。

类似于百叶窗调节可见光进入房间的方式，工程师希望对无线通信中使用的电磁波进行动态控制。这种能力可以让设备在需要时接收和发送信号，但也可以保护它们免受电磁干扰，如静电和干扰，并帮助它们避免被窥探。

然而，当涉及到比涂层中使用的材料（例如，频率以千兆赫兹为单位的微波）尺度更长的电磁波长时，开发可调谐屏蔽电磁干扰的薄膜是一项挑战。能够屏蔽电磁干扰的涂层通常只提供静电保护。

此前，研究人员提出了可以机械压缩或减压以动态控制微波反射或吸收的泡沫。然而，这些泡沫有几毫米厚，阻碍了它们在微芯片中的潜在应用。

现在，科学家们利用十多年前发现的只有几个原子厚的材料，制造了厚度不到一微米的屏蔽层，可以以可切换的方式阻挡微波。

“这是电磁干扰屏蔽的动态电调制的首次演示，”该研究的资深作者、费城德雷克塞尔大学的材料科学家Yury Gogotsi说。

在这项新的研究中，研究人员研究了被称为MXene的二维材料，这些材料由地球表面丰富的材料制成。先前的研究发现，MXenes可用于广泛的应用，如储能、可打印电子产品、喷雾天线、柔性透明电极、水净化、润滑太空车、发光量子点和传感器。Gogotsi说：“关于该材料的介绍，有50多篇报道或100多篇文章。”

MXene各自具有类似三明治的结构。中间层由导电金属原子和碳、氮或碳和氮组成。在中间层的两侧是一个氧化物层。

抗电磁干扰的屏蔽物目前由能够反射电磁波的高导电材料制成。其中包括金属和石墨烯等碳材料。然而，通常不可能改变金属的导电性，而石墨烯的导电性只能在其失去屏蔽能力之前通过化学手段来调整。

MXene具有很高的导电性，最近的研究发现，它们可以比金属和石墨烯更好地屏蔽电磁波。研究人员现在表明，当他们将MXene与电解质溶液结合时，他们可以暂时使这些组合对电磁辐射透明。

DREXEL

电场可以使离子在每一层膜内流动，以扩展或压缩其层之间的空间。这反过来可以调节其导电性和进行性能屏蔽。2011年帮助发现MXenes的Gogotsi表示：“通过施加较小的电势，MXene的性能可以像半导体一样进行调制。”

在实验中，通过施加不到1伏的电压，科学家们发现，他们可以快速可逆地切换这些薄膜对X波段（8.2至12.4吉赫兹，最常见的雷达频率范围）的透明程度或屏蔽程度。这些薄膜可以通过500多次放电和再充电来维持其性能。

未来，研究人员的目标是增加屏蔽变化的强度，并探索阻挡其他波长的光，如红外、太赫兹和射频。

Gogotsi说：“现在还没有理由证明所测试的一些MXene是这个应用程序的最佳选项，我们需要搜索最佳MXene。这意味着还有很大的改进空间。”

科学家们在1月16日的《自然纳米技术》杂志（https://www.nature.com/articles/s41565-022-01308-9）上详细介绍了他们的发现。