Le matériau de blindage le plus léger au monde

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Un échantillon du matériau de blindage du laboratoire Cellulose & Wood Materials

Un échantillon du matériau de blindage du laboratoire Cellulose & Wood Materials de l’Empa. Image: Empa

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

Les moteurs électriques et les appareils électroniques génèrent des champs électromagnétiques qui doivent parfois être blindés afin de ne pas affecter les composants électroniques voisins ou la transmission des signaux. Les champs électromagnétiques à haute fréquence ne peuvent être protégés que par des enveloppes conductrices fermées. 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 donnée. Le matériau idéal serait léger, flexible et durable, avec une efficacité de blindage extrêmement élevée.

Une équipe de recherche dirigée par Zhihui Zeng et Gustav Nyström a maintenant réalisé une percée dans ce domaine. Les 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 et, en raison de leur structure chimique, permettent une large gamme de modifications chimiques. Ils constituent donc un matériau de recherche prisé. Le facteur décisif dans le traitement et la modification de ces nanofibres de cellulose est que certaines microstructures peuvent être produites de manière définies et que les propriétés ainsi obtenues peuvent être différentes. 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 ultra-légères qui offrent un excellent blindage contre les rayonnements électromagnétiques. L’effet du matériau est impressionnant, car avec une densité de seulement 1,7 milligramme par centimètre cube, l’aérogel de cellulose renforcé d’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, Presque toutes les radiations dans cette gamme de fréquences sont bloquées par le matériau.

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 qu’avec un matériau neuf. L’absorption souhaitée peut même être facilement ajustée en ajoutant plus ou moins de nanofils d’argent au mélange, par la porosité de l’aérogel coulé et l’épaisseur de la couche coulée.

Dans une autre expérience, les chercheurs ont remplacé les nanofils d’argent avec 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 a 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.