{"id":83216,"date":"2020-07-14T07:24:25","date_gmt":"2020-07-14T05:24:25","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=83216"},"modified":"2020-12-24T13:06:12","modified_gmt":"2020-12-24T12:06:12","slug":"das-leichteste-abschirmmaterial-der-welt","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/das-leichteste-abschirmmaterial-der-welt\/","title":{"rendered":"Das leichteste Abschirmmaterial der Welt"},"content":{"rendered":"

Empa-Forschern ist es gelungen, Aerogele f\u00fcr die Mikroelektronik nutzbar zu machen: Aerogele auf Basis von Zellulose-Nanofasern k\u00f6nnen elektromagnetische Strahlung in weiten Frequenzbereichen wirksam abschirmen \u2013 und sind bez\u00fcglich Gewicht konkurrenzlos.<\/strong><\/p>\n

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Eine Probe des an der Empa hergestellten elektromagnetischen Abschirmmaterials \u2013 ein Kompositwerkstoff aus Zellulose-Nanofasern und Silber-Nanodr\u00e4hten. Bild: Empa<\/figcaption><\/figure>\n

Elektromotoren und elektronische Ger\u00e4te erzeugen elektromagnetische Felder, die bisweilen abgeschirmt werden m\u00fcssen, um benachbarte Elektronikbauteile oder die \u00dcbertragung von Signalen nicht zu beeinflussen. Hochfrequente elektromagnetische Felder k\u00f6nnen nur mit allseitig geschlossenen, leitf\u00e4higen H\u00fcllen abgeschirmt werden. Oft werden daf\u00fcr d\u00fcnne Bleche oder metallbedampfte Folien verwendet. Doch f\u00fcr viele Anwendungen ist eine solche Abschirmung zu schwer oder zu schlecht auf die gegebene Geometrie adaptierbar. Ideal w\u00e4re ein leichtes, flexibles und langlebiges Material mit extrem hoher Abschirmwirkung.<\/p>\n

Aerogele gegen elektromagnetische Strahlung<\/h3>\n

Ein Durchbruch in diesem Bereich gelang nun einem Forscherteam um Zhihui Zeng und Gustav Nystr\u00f6m. Die Forscher nutzen Nanofasern aus Zellulose als Basis f\u00fcr ein Aerogel, ein leichtes, hochpor\u00f6ses Material. Zellulosefasern werden aus Holz gewonnen und erm\u00f6glichen aufgrund ihrer chemischen Struktur vielf\u00e4ltige chemische Modifikationen. Sie sind darum ein begehrtes Forschungsobjekt. Entscheidend bei der Verarbeitung und Modifikation dieser Zellulose-Nanofasern ist, dass man bestimmte Mikrostrukturen definiert herstellen kann und die dadurch erzielten Effekte zu interpretieren weiss. Diese Zusammenh\u00e4nge zwischen Struktur und Eigenschaften sind genau das Forschungsgebiet von Nystr\u00f6ms Team an der Empa.<\/p>\n

Den Forschern gelang es, eine Mixtur aus Zellulose-Nanofasern und Silber-Nanodr\u00e4hten herzustellen und damit ultraleichte Feinstrukturen zu erzeugen, die elektromagnetische Strahlung hervorragend abschirmen. Beeindruckend ist dabei die schiere Wirkung des Materials: Bei einer Dichte von nur 1,7 Milligramm pro Kubikzentimeter erzielt das silberverst\u00e4rkte Zellulose-Aerogel im Frequenzbereich von hochaufl\u00f6sender Radarstrahlung (8 bis 12 GHz) mehr als 40 dB Abschirmung \u2013 mit anderen Worten: Nahezu die gesamte Strahlung in diesem Frequenzbereich wird vom Material abgefangen.<\/p>\n

Eiskristalle steuern die Form<\/h3>\n

Entscheidend f\u00fcr die abschirmende Wirkung ist nicht nur die korrekte Mischung aus Zellulose und Silberdr\u00e4htchen, sondern auch die Porenstruktur des Materials. Innerhalb der Poren werden die elektromagnetischen Felder hin und her reflektiert und l\u00f6sen zus\u00e4tzlich im Composite-Material elektromagnetische Felder aus, die dem eingestrahlten Feld entgegenwirken. Um zu Poren mit optimaler Gr\u00f6sse und Form zu gelangen, giessen die Forscher das Material in vorgek\u00fchlte Formen und lassen es langsam ausfrieren. Das Wachstum der Eiskristalle erzeugt die f\u00fcr die D\u00e4mpfung der Felder optimale Porenstruktur.<\/p>\n

Mit dieser Herstellungsmethode l\u00e4sst sich die D\u00e4mpfungswirkung sogar in verschiedene Raumrichtungen spezifizieren: Wenn das Material von unten nach oben in der Gussform ausfriert, f\u00e4llt die elektromagnetische D\u00e4mpfung in vertikaler Richtung geringer aus. In horizontaler Richtung \u2013 also rechtwinklig zur Gefrier-Richtung \u2013 wird die D\u00e4mpfung optimiert. Die so gegossenen Abschirm-Strukturen sind h\u00f6chst flexibel: Selbst nach tausendfachem hin- und herbiegen ist die d\u00e4mpfende Wirkung praktisch gleich gross wie beim Neumaterial. Die gew\u00fcnschte Absorption kann sogar noch leicht angepasst werden durch eine Zugabe von mehr oder weniger Silber-Nanodr\u00e4hten in die Mixtur, durch die Porosit\u00e4t des gegossenen Aerogels und die Dicke der gegossenen Schicht.<\/p>\n

Der leichteste elektromagnetische Schirm der Welt<\/h3>\n

In einem weiteren Experiment liessen die Forscher die Silber-Nanodr\u00e4hte aus der Mixtur weg und verbanden ihre Zellulose-Nanofasern mit zweidimensionalen Nanopl\u00e4ttchen aus Titancarbid, die mit Hilfe eines speziellen \u00c4tzprozesses hergestellt wurden. Die Nanopl\u00e4ttchen wirken wie harte “Ziegel”, die mit flexiblem “M\u00f6rtel” aus Zellulosefasern miteinander verbunden werden. Auch diese Mixtur wurde in gek\u00fchlten Formen zielgerichtet eingefroren. Bezogen auf das Materialgewicht l\u00e4sst sich eine derartige Abschirmung mit keinem anderen Material erreichen. Damit ist das Titancarbid-Nanocellulose-Aerogel das bei weitem leichteste elektromagnetische Abschirmmaterial der Welt.<\/p>\n

 <\/p>\n

Literatur<\/h3>\n

Z Zeng, T Wu, D Han, Q Ren, G Siqueira, G Nystro\u0308m; Ultralight, Flexible, and Biomimetic Nanocellulose\/Silver Nanowire Aerogels for Electromagnetic Interference Shielding; ACS Nano<\/em> (2020); doi: 10.1021\/acsnano.9b07452<\/a><\/p>\n

Z Zeng, C Wang, G Siqueira, D Han, A Huch, S Abdolhosseinzadeh, J Heier, F N\u00fcesch, CJ Zhang, G Nystr\u00f6m; Nanocellulose-MXene Biomimetic Aerogels with Orientation-Tunable Electromagnetic Interference Shielding Performance; Advanced Science<\/em> (2020); doi: 10.1002\/advs.20200097<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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