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04 mai 2021 | Oberflächen POLYSURFACES 03/2020 | Recherche

Le matériau de blindage le plus léger au monde

Rainer Klose

Des chercheurs de l’Empa ont réussi à rendre les aérogels utiles pour la microélectronique. En effet, ceux à base de nanofibres de cellulose peuvent protéger efficacement des radiations électromagnétiques sur une large gamme de fréquences – et sont inégalés en termes de poids.

Le matériau de blindage le plus léger au monde

Un échantillon du matériau de blindage du laboratoire Cellulose & Wood Materials de l'Empa. (Photo : Empa)

Les moteurs électriques et les appareils électroniques génèrent des champs électromagnétiques qui doivent parfois être blindés, afin de n’affecter ni les composants électroniques voisins, ni la transmission des signaux. Seules des enveloppes conductrices fermées peuvent protéger des champs électromagnétiques à haute fréquence. Souvent, on utilise, à cet effet ,de fines feuilles de métal ou des feuilles métallisées. Cependant, pour de nombreuses applications, ce blindage est trop lourd ou ne peut pas être adapté à la géométrie. Le matériau idéal serait léger, flexible et durable, présentant une efficacité de blindage extrêmement élevée.

 

Les aérogels contre le rayonnement électromagnétique

Une équipe de recherche dirigée par Zhihui Zeng et Gustav Nyström vient de réaliser une percée dans ce domaine. Ces chercheurs utilisent des nanofibres de cellulose comme base d'un aérogel, un matériau léger et très poreux. Les fibres de cellulose sont obtenues à partir du bois. En raison de leur structure chimique, elles permettent une large gamme de modifications chimiques et constituent donc un matériau de recherche très prisé. Le fait que certaines microstructures peuvent être produites de manière définies et que les propriétés ainsi obtenues peuvent être différentes constitue un facteur décisif dans le traitement et la modification de ces nanofibres de cellulose. Ces relations entre structure et propriétés sont précisément le domaine de recherche de l'équipe de Gustav Nyström à l'Empa.

Les chercheurs ont réussi à produire un mélange de nanofibres de cellulose et de nanofils d'argent, et à créer ainsi des structures fines ultralégères qui offrent un excellent blindage contre les rayonnements électroma­gnétiques. L'effet du matériau est impressionnant, car avec une densité de seulement 1,7 mg/cm3, milligramme, l'aérogel de cellulose renforcé par de l'argent atteint un blindage de plus de 40 dB dans la gamme de fréquences du rayonnement radar à haute résolution (8 à 12 GHz). En d'autres termes, ce matériau bloque presque toutes les radiations dans cette gamme de fréquences.

 

Les cristaux de glace contrôlent la forme

Ce n'est pas seulement le bon mélange de cellulose et de fils d'argent qui est déterminant pour l'effet du blindage, mais aussi la structure des pores du matériau. À l'intérieur des pores, les champs électromagnétiques sont réfléchis et induisent des champs électromagnétiques dans le matériau composite, qui neutralisent le champ irradié. Pour créer des pores de taille et de forme optimales, les chercheurs déposent le matériau dans des moules pré-refroidis et les laissent geler lentement. La croissance des cristaux de glace crée une structure de pores optimale pour atténuer les champs électromagnétiques.

Avec cette méthode de production, l'atténuation peut même être directionnelle.– Si le matériau gèle dans le moule de bas en haut, l'atténuation électromagnétique est plus faible dans le sens vertical. Dans la direction horizontale – c'est-à-dire à angle droit par rapport à la direction du gel –, l'atténuation est maximale. Les structures de blindage ainsi coulées sont très flexibles. Même après avoir été pliées mille fois en avant et en arrière, l'effet de barrière est pratiquement le même par rapport à un matériau neuf. L'absorption souhaitée peut être facilement ajustée en ajoutant plus ou moins de nanofils d'argent au mélange, ainsi que par la porosité de l'aérogel coulé ou l'épaisseur de la couche coulée.

 

Le bouclier électromagnétique le plus léger

Dans une autre expérience, les chercheurs ont remplacé les nanofils d'argent par des nanoplaques bidimensionnelles de carbure de titane, qui ont été produites en utilisant un procédé de gravure spécial. Les nanoplaques agissent comme des « briques » dures, qui sont assemblées avec le « mortier » flexible fait de fibres de cellulose. Ce mélange a également été gelé de manière ciblée. Par rapport à son poids, aucun autre matériau ne peut réaliser un tel blindage. Cela fait de l'aérogel de nanocellulose au carbure de titane le matériau de blindage électromagnétique le plus léger au monde.

Bibliographie

Zeng Z., Wu T., Han D., Ren Q., Siqueira G., Nyström G.: Ultralight, Flexible and Biomimetic Nanocellulose/Silver Nanowire Aerogels for Electromagnetic Interference Shielding. ACS Nano, 2020, doi 10.1021/acsnano.9b07452

Zeng Z., Wang C., Siqueira G., Han D., Huch A., Abdolhosseinzadeh S., Heier J., Nüesch F. Zhang C.J., Nyström G.: Nanocellulose-MXene Biometic Aerogels with Orientation-Tunable Electromagnetic Interference Shielding Performance. Advanced Science, 2020, doi 10.1002/advs.202000979

Empa
Cellulose & Wood Materials
Ueberlandstrasse 129
8600 Dübendorf
www.empa.ch

 

Gustav Nyström
Tél. 058 765 45 83
gustav.nystroem@empa.ch

Zhihui Zeng
Tél. 058 765 61 72
zhihui.zeng@empa.ch