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德雷克塞爾大學的研究人員在《科學》雜誌上發布了其最新的發現，一種新的二維材料具有卓越的屏蔽能力，它可以吸收電磁幹擾，而不僅僅是偏轉回。
這種材料名為碳化鈦，是2011年德雷克塞爾大學首次生產的一種名為MXenes的二維材料家族的一部分。研究人員透露，這些材料具有許多特殊的性能，包括高強度、高導電性和分子過濾能力。碳化鈦的特殊特性是，它能比任何已知材料更有效地阻擋和吸收電磁幹擾，包括目前大多數電子設備中使用的金屬箔。
"這一發現打破了電磁屏蔽領域存在的所有障礙。它不僅揭示了一種比銅更好用的屏蔽材料，而且還顯示了一種令人興奮的、新的物理學正在出現，因為我們看到離散的二維材料與電磁輻射的相互作用與散裝金屬不同。"德雷克塞爾工程學院教授Yury Gogotsi博士說，他領導了這個MXene發現的研究小組，其中還包括韓國科學技術研究院的科學家，以及德雷克塞爾與該研究院合作的學生。
雖然電磁幹擾（EMI）在使用者中不常注意到，很可能是麥克風或揚聲器發出的嗡嗡聲，但對於設計的工程師來說，電磁幹擾卻是他們一直關注的問題。EMI所幹擾的是其他電氣元件，如天線和電路。它降低了電氣性能，會減慢數據交換率，甚至會中斷設備的功能。
電子設計人員和工程師傾向於使用屏蔽材料來控制和偏轉設備中的 EMI，方法是用銅籠覆蓋整個電路板，或者最近用箔屏蔽包裹單個元件。但這兩種策略都會增加設備的體積和重量。
Gogotsi的小組發現，其MXene材料比銅薄得多、輕得多，在EMI屏蔽方面可以相當有效。他們的研究結果在四年前的《Science》雜誌上報導，表明一種名為碳化鈦的MXene顯示出與當時的工業標準材料一樣有效的潛力，而且它可以很容易地作為塗層應用。這項研究迅速成為該領域最具影響力的發現之一，並激勵其他研究人員研究其他用於EMI屏蔽的材料。
但是，當德雷克塞爾和KIST團隊繼續考察該家族的其他成員時，他們發現了碳氮化鈦的獨特品質，使其成為EMI屏蔽應用的更有前途的候選材料。
"與碳化鈦相比，碳氮化鈦具有非常相似的結構，除了其中一個用氮原子取代了一半的碳原子外，它們實際上是相同的，但碳化鈦的導電性要差一個數量級，"德雷克塞爾材料科學與工程系的博士候選人Kanit Hantanasirisakul說。"因此，我們希望從根本上了解導電性和元素組成對EMI屏蔽應用的影響。"
通過一系列的測試，該小組有了一個驚人的發現。即，碳化鈦材料的薄膜（比人類頭髮絲的厚度薄好幾倍）實際上可以比類似厚度的銅箔（通常用於電子設備）更有效地阻擋EMI幹擾約3-5倍。
"重要的是，我們最初並沒有想到碳氮化鈦與已知的所有MXenes中導電性最強的相比會更好：碳化鈦，"Hantanasirisakul說。"我們首先認為可能是測量或計算有問題。所以，我們一遍又一遍地重複實驗，以確保我們做的一切都是正確的，而且數值是可重複的。"
也許比該團隊發現這種材料的屏蔽能力更重要的是他們對其工作方式的新理解。大多數EMI屏蔽材料只是通過反射電磁波來阻止電磁波的穿透。雖然這對保護元件很有效，但並不能緩解環境中EMI傳播的整體問題。Gogotsi的小組發現，碳氮化鈦實際上是通過吸收電磁波來阻擋EMI。
"這是比單純的反射波更可持續的處理電磁汙染的方法，因為反射波仍然會損壞其他沒有屏蔽的設備，"Hantanasirisakul說。"我們發現，大部分的波都被分層的碳氮化物MXene薄膜吸收了。這就像把垃圾踢開或撿起來的區別。"
這也意味著，碳氮化鈦可以用來單獨塗覆設備內部的組件，以遏制它們的EMI，即使它們被緊密放置在一起。像蘋果這樣的公司幾年來一直在嘗試這種遏制策略，但成功率受限於銅箔的厚度。隨著設備設計者努力通過將設備變得更小、更不顯眼、更集成化來使其無處不在，這種策略很可能成為新的標準。
研究人員懷疑，碳化鈦的獨特性是由於它的分層多孔結構，使EMI能夠部分穿透材料，以及它的化學成分，可以捕獲和消散EMI。當材料在形成的最後一步（稱為退火）中被加熱時，這種特性的組合就會在材料內部出現。
"這是一個反直覺的發現。EMI屏蔽效果通常會隨著電導率的增加而增加。我們知道熱處理可以增加電導率，所以我們對碳化鈦進行了嘗試，看看是否會提高其屏蔽能力。我們發現的是，它只是略微提高了它的導電性，但卻大大提升了它的屏蔽效果。"Gogotsi說。"這項工作激勵了我們，也應該激勵該領域的其他人去研究其他MXenes的特性和應用，因為儘管它們的導電性較差，但可能會表現出更好的性能。"
德雷克塞爾團隊一直在擴大範圍，已經研究了16種不同MXenes材料的EMI屏蔽能力，約佔其實驗室生產的所有MXenes的一半。他們計劃繼續對碳化鈦進行研究，以更好地了解其獨特的電磁行為，希望能預測其他材料中隱藏的能力。
論文標題為《Anomalous absorption of electromagnetic waves by 2D transition metal carbonitride Ti3CNTx (MXene)》。