فهرست مطالب
پژوهشگران با ساخت یک نانوسیم فوقنازک، شفاف و انعطافپذیر موفق شدهاند بدون استفاده از لایههای فلزی ضخیم، بیش از ۹۹.۹۷ درصد تداخل الکترومغناطیسی را مهار کنند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، زندگی مدرن در احاطه امواجی نامرئی جریان دارد؛ از تلفنهای همراه و روترهای وایفای گرفته تا شبکههای 5G، ساعتهای هوشمند و حسگرهای پزشکی که بیوقفه امواج الکترومغناطیسی را مبادله میکنند. با وجود نقش حیاتی این ارتباطات بیسیم در پیشرفت فناوری، پیامد ناخواستهای به نام تداخل الکترومغناطیسی یا EMI نیز به همراه دارند. این اختلالها میتوانند سامانههای الکترونیکی حساس را دچار خطا کنند، که خطری جدی برای تجهیزات پزشکی، حسگرهای پوشیدنی و نمایشگرهای انعطافپذیر محسوب میشود.
راهحلهای مرسوم برای مقابله با EMI تاکنون متکی بر لایههای ضخیم فلزی بودهاند؛ پوششهایی سخت، سنگین و غیرشفاف که امکان استفاده در الکترونیک شفاف یا خمشونده را از بین میبرند. اکنون یک تیم تحقیقاتی با معرفی یک نانوسیم جدید، مسیر تازهای پیش روی این حوزه گشوده است؛ فیلمی که قادر است تمام تابشهای الکترومغناطیسی ناخواسته را مسدود کند و در عین حال برای تولید و استفاده در مقیاس صنعتی نیز مناسب باشد.
ژونگانگ ژانگ، پژوهشگر ارشد این مطالعه گفت: «این نخستینبار است که تضاد دیرینه میان رسانایی الکتریکی و شفافیت نوری در شبکههای نانوسیم فلزی برطرف میشود. پس از فرایند پسپردازش لیزری، هر دو ویژگی بهطور همزمان بهبود پیدا میکنند.»
حتما بخوانید: نمایشگر نانو با بالاترین وضوح قابل تشخیص برای چشم انسان
چگونگی مهار تداخل الکترومغناطیسی با نانوسیم
ساخت سپر شفاف برای مهار تداخل الکترومغناطیسی (EMI) همواره گرفتار یک تضاد سرسخت بوده است؛ رسانایی الکتریکی بالا معمولا به قیمت از دست رفتن شفافیت نوری تمام میشود و مواد شفاف نیز اغلب از رسانایی کافی برخوردار نیستند. نانوسیم فلزی اگرچه گزینهای جذاب به نظر میرسد، اما چیدمان تصادفی آنها توان ایجاد محافظت موثر را نداشت. تیم پژوهشی دانشگاه گلاسگو این بنبست را با کنترل دقیق آرایش و اتصال نانوسیمها در مقیاس نانو پشت سر گذاشت. آنها از نانوسیمهای نقرهای استفاده کردند، که ضخامت آنها هزاران برابر کمتر از موی انسان است.
بیشتر بخوانید: ساخت پوشش رادارگریز گیاهی با قابلیت جذب ۹۹.۹۹ درصد امواج الکترومغناطیسی
در این روش، نانوسیمها بهطور تصادفی روی سطح پخش نشدند. پژوهشگران با بهکارگیری تکنیکی موسوم به دیالکتروفورز بینسطحی، میدانهای الکتریکی مهندسیشدهای ایجاد کردند که نانوسیم را به صورت منظم و همراستا روی یک فیلم پلاستیکی شفاف و انعطافپذیر هدایت میکرد. این رویکرد سطحی بیسابقه از کنترل را فراهم آورد. نانوسیمها قادر بودند خم شوند، پیچ بخورند و مسیر خود را تغییر دهند، بیآنکه همراستایی شبکه بههم بخورد. تیم تحقیقاتی برای نمایش این دقت، حتی الگوهای نوشتاری خوانا را با نانوسیم روی فیلم شکل داد.
نکته کلیدی در این ساختار، عدم اتصال مستقیم نانوسیمها به یکدیگر بود. میان آنها فاصلههای بسیار کوچکی باقی ماند، که شبکهای سرشار از شکافهای نانومقیاس ایجاد میکرد. همین فضاها نقشی تعیینکننده ایفا کردند. هنگام برخورد امواج الکترومغناطیسی با فیلم، این شکافها مانند مخازن میکروسکوپی انرژی عمل میکنند و شدت سیگنالهای ورودی را تضعیف مینمایند. در نتیجه، شبکهای از نانوسیمهای کوپلشده خازنی است که بدون قربانی کردن شفافیت، عملکرد محافظتی را به طور چشمگیری ارتقا میدهد.
تقویت شبکه با لیزر
در گام دوم این پژوهش، شبکه نانوسیمهای همراستا با پالسهای فوقسریع لیزری در حد چند پیکوثانیه تقویت شد. این پالسها، نانوسیمها را دقیقا در نقاط تماس به یکدیگر متصل و مسیرهای رسانای قدرتمندی ایجاد کردند. به طور همزمان، تابش لیزر لایههای عایق باقیمانده از فرایند تولید را از سطح نانوسیمها حذف کرد. نتیجه این تکمرحله لیزری، یک دستاورد دوگانه و کمسابقه بود؛ مقاومت الکتریکی ۴۶ برابر کاهش یافت و عبور جریان به شکل چشمگیری بهبود پیدا کرد.
نکته قابل توجه آنکه شفافیت نوری نیز تا ۱۰ درصد افزایش یافت، چرا که پاکسازی سطح نانوسیمها باعث عبور بهتر نور شد. این ارتقای همزمان رسانایی و شفافیت، پیش از این در فیلمهای نانوسیمی فلزی دستنیافتنی بود. آزمونهای عملکردی نشان داد که ماده نهایی قادر است بیش از ۹۹.۹۷ درصد تابش الکترومغناطیسی را مهار کند و در گستره فرکانسی ۲.۲ تا ۶ گیگاهرتز (که باندهای متداول وایفای و 5G را در بر میگیرد) به اثربخشی حفاظتی فراتر از ۳۵ دسیبل دست یابد. با وجود این سطح از محافظت، فیلمها ۸۳ درصد شفاف باقی ماندند و ضخامت آنها تنها ۵.۱ میکرومتر بود.
برای مطالعه بیشتر: بوسه نورونها پس از نیم قرن سکوت در برابر دوربین نانویی
هادی حیدری، استاد دانشگاه گلاسگو و از نویسندگان این تحقیق گفت: «عملکرد مهار تداخل الکترومغناطیسی در موادی که با این تکنیک ساختهایم، برای نخستینبار بیش از هزار برابر بهتر از شبکههای نانوسیمی بدون همراستایی است. این جهش میتواند زمینهساز توسعه طیف گستردهای از تجهیزات انعطافپذیر و کاشتنی در آینده باشد.»
این پژوهش یکی از موانع اساسی در مسیر توسعه الکترونیک نسل آینده را از میان برداشته است. تجهیزاتی که باید انعطافپذیر باشند، کشیده شوند یا درون بدن انسان قرار گیرند، اکنون میتوانند بدون اتکا به لایههای حجیم فلزی، در برابر اختلال الکترومغناطیسی ایمن شوند.
ژانگ در اینباره توضیح داد: «برای نمایشگرهای انعطافپذیر، دستگاههای پوشیدنی و فناوریهای پزشکی کاشتنی، توان مهار تداخل الکترومغناطیسی در کنار شفافیت بالا یک ضرورت است. این ترکیب، انتقال سیگنالهای خالص و دقیق را برای پایش لحظهای سلامت تضمین میکند و همزمان مانع نفوذ نویزهای ناخواسته میشود.» نکته مهم دیگر، قابلیت تولید در مقیاس صنعتی است. این روش بهراحتی قابل گسترش به سطوح بزرگ است. تیم تحقیقاتی پیشتر فیلمهایی به ابعاد ۴۰ در ۸۰ سانتیمتر تولید کرده است که از امکانپذیر بودن تولید صنعتی این فناوری حکایت دارد. با وجود این، عملکرد بلندمدت این ماده و میزان سازگاری آن در محیطهای زیستی هنوز پرسشی باز است و نیازمند آزمایشهای بیشتر خواهد بود.
این مطالعه در نشریه معتبر ACS Nano به چاپ رسیده است.
