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Compuestos basados en grafeno bloquean la radiación electromagnética

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Los compuestos hechos de resina epoxi que contiene grafeno podrían usarse para proteger dispositivos electrónicos de la radiación electromagnética y disipar el exceso de calor en estos dispositivos al mismo tiempo. Este es el nuevo hallazgo de investigadores de la Universidad de California, Riverside (UCR) que han probado compuestos que contienen diferentes espesores de rellenos de grafeno de pocas capas. Los mejores materiales cuentan con una conductividad térmica, K , de alrededor de 8 W / m / K (que es 35 veces más grande que el material de la matriz por sí solo) al tiempo que proporciona un blindaje de interferencia electromagnética total, SE tot , de 45 dB en la importante X Rango de frecuencia de banda (de entre 8.2 GHz a 12.4 GHz).

“El calor y la radiación electromagnética se producen inevitablemente en dispositivos electrónicos, especialmente en aquellos que operan a altas frecuencias”, explica el líder del equipo de investigación Alexander Balain, quien se encuentra en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la UCR. “A medida que los dispositivos electrónicos se vuelven cada vez más pequeños y funcionan a frecuencias cada vez más altas, generan incluso más calor y ondas electromagnéticas. Estos no solo degradan los dispositivos en sí mismos (las ondas EM también producen calor), sino que también pueden afectar negativamente a los sistemas electrónicos vecinos. La radiación EM también podría ser peligrosa para la salud humana y animal y para el medio ambiente “.

El problema del exceso de calor generalmente se resuelve utilizando materiales de interfaz con una alta conductividad térmica que disipa este calor. Y los materiales de blindaje EM son la respuesta al bloqueo de la radiación EM. “Sin embargo, estos dos tipos de materiales a menudo tienen características muy diferentes: un excelente material de protección puede ser un mal conductor del calor, mientras que un material de interfaz térmica eficiente suele ser un aislante, lo que significa que las ondas EM pasan a través de él”, dice Balandin. “Esto significa que ambos tipos de material deben emplearse en el mismo dispositivo, lo que aumenta la complejidad y el costo”.

Ambas funciones a la vez

Los investigadores de la UCR ahora han descubierto que los compuestos que contienen el grafeno “material maravilloso” pueden bloquear la radiación EM mientras disipan el exceso de calor. “Sorprendentemente, descubrimos que los compuestos de grafeno pueden bloquear la energía de EM incluso por debajo del llamado umbral de percolación y permanecer eléctricamente aislantes (lo que es una propiedad importante para un material de interfaz térmica)”. Percolación eléctrica es el término usado para describir los compuestos en las partículas de relleno eléctricamente conductor forman una red continua, permitiendo que la corriente eléctrica fluya.

Los miembros del equipo, Fariborz Kargar y Zahra Barani, del Centro de Materiales de Ingeniería de Optimización Phonon (POEM) de la UCR, liderados por Balandin, prepararon compuestos de resina epoxi que contienen una alta fracción de carga de rellenos de grafeno de pocas capas (FLG). Procesaron el material en su laboratorio para determinar la relación de aspecto óptima, las dimensiones laterales y el grosor de los rellenos. Para aplicaciones de blindaje EM, por ejemplo, los rellenos con relaciones de aspecto altas son mejores, y para aplicaciones térmicas se requieren dimensiones laterales y espesores óptimos, dice Balandin.

magen óptica de los composites de grafeno de doble función. Tenga en cuenta el cambio de color de blanco a negro a medida que aumenta la concentración de grafeno. Cortesía: F Kargar y A Balandin, Centro de Materiales de Ingeniería Optimizados de Phonon (POEM), Universidad de California - Riverside
magen óptica de los composites de grafeno de doble función. Tenga en cuenta el cambio de color de blanco a negro a medida que aumenta la concentración de grafeno. Cortesía: F Kargar y A Balandin, Centro de Materiales de Ingeniería Optimizados de Phonon (POEM), Universidad de California – Riverside

Luego prepararon dos lotes de los compuestos utilizando rellenos con espesores muy diferentes. En el primer lote, denominado GF-A, las dimensiones laterales de los rellenos FLG oscilaron entre 1,5 y 10 micrones, mientras que sus grosores oscilaron entre 0,35 y 12 nm, lo que corresponde a 1 a 40 monocapas de grafeno, respectivamente. En el segundo lote (GF-B), las dimensiones laterales estaban entre 2 y 8 micrones, pero los espesores eran mucho más pequeños, con un rango de 0,35 a 3 nm, correspondientes a 1-8 monocapas de grafeno, respectivamente.

Los compuestos de grafeno pueden bloquear más del 99,99% de la radiación EM de alta frecuencia

Los investigadores descubrieron que los mejores compuestos tenían un blindaje de interferencia electromagnética total eficiente de hasta 45 dB, en el rango de frecuencia de la banda X, mientras que al mismo tiempo proporcionaban una alta conductividad térmica, K, de alrededor de 8 W / m / K. “Nuestros resultados también muestran que los compuestos de grafeno pueden bloquear más del 99,998% de la radiación EM de alta frecuencia”, dice Balandin.

“El blindaje electromagnético requiere interacciones de las ondas EM con los portadores de carga dentro del material de blindaje para que la radiación EM sea reflejada o absorbida”, explica. Por esta razón, el material de blindaje debe ser eléctricamente conductor o contener rellenos conductores eléctricos. El grafeno es un buen conductor de electricidad, que permite que los rellenos hechos de este material reflejen y absorban las ondas EM. También es un buen conductor del calor, gracias a las propiedades únicas de los fonones (cuantos de las vibraciones de la red cristalina) en materiales 2D. Nuestro grupo descubrió esta propiedad en 2008. ”

El equipo de la UCR, informando sobre su trabajo en Advanced Electronic Materials 10.1002 / aelm.201800558 , dice que ahora está ocupado probando sus compuestos de grafeno como recubrimientos protectores en dispositivos electromagnéticos que generan calor en el mundo real.

Via: physicsworld.com

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