Synergistic thermal conduction and electromagnetic shielding in nickel foam-based composite via boron nitride and high- entropy oxide@Ag
Deze studie presenteert een multifunctioneel composiet op basis van nikkelfoam dat gebruikmaakt van een synergetische combinatie van boornitride-nanosheets en high-entropy oxide@Ag core-shell vulstoffen binnen een watergedragen polyurethaanmatrix om simultaan een significant verbeterde thermische geleidbaarheid en superieure elektromagnetische interferentieafscherming te bereiken die wordt gedomineerd door golfabsorptie.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Stel je je favoriete smartphone of spelcomputer voor als een bruisende stad. Binnenin zijn miljoenen piepkleine elektronische arbeiders heen en weer aan het rennen, bezig met het verwerken van gegevens en het brandend houden van de lichten. Maar zoals elke drukke stad, heeft deze stad twee grote problemen. Ten eerste genereert al dat harde werk veel warmte. Als de stad te heet wordt, kunnen de gebouwen (de chips) smelten of uitvallen, wat leidt tot een "thermische runaway" waarbij alles simpelweg stopt met werken. Ten tweede zijn deze arbeiders constant tegen elkaar aan het schreeuwen met onzichtbare radiogolven. Als ze te hard of zonder richting schreeuwen, raken hun signalen door elkaar, wat zorgt voor corruptie van gegevens en interferentie met andere apparaten in de buurt. Dit wordt elektromagnetische interferentie, of EMI, genoemd.
Om deze problemen op te lossen, zoeken wetenschappers naar materialen die kunnen fungeren als een superefficiënte stadsplanner. Ze hebben iets nodig dat de overtollige warmte kan opzuigen om de stad koel te houden, terwijl het ook als een geluidsdichte muur fungeert om het radiogeluid buiten te houden of binnen te houden. Traditioneel waren materialen goed in één taak, maar slecht in de andere. Sommige metalen waren geweldig in het blokkeren van lawaai, maar verschrikkelijk in het verplaatsen van warmte, terwijl sommige keramische materialen warmte goed verplaatsten, maar het lawaai er dwars doorheen lieten glippen. Het doel van de moderne wetenschap is om een "multitasking"-materiaal te vinden dat beide taken perfect tegelijkertijd uitvoert, zodat onze toekomstige gadgets koel, stil en betrouwbaar blijven.
Dit wetenschappelijke artikel vertelt het verhaal van hoe een team van wetenschappers precies zo'n multitasking-superheldenmateriaal heeft gebouwd. Ze begonnen met een eenvoudig, sponsachtig metaal genaamd nikkelfoam, dat eruitziet als een microscopisch honingraatpatroon van draden. Denk aan dit schuim als het skelet van een gebouw. Op zichzelf is dit skelet goed in het blokkeren van enige radiogeluid, maar het is niet erg goed in het afvoeren van warmte, en het kaatst het geluid voornamelijk terug, wat problemen kan veroorzaken bij de buren.
Om dit skelet een upgrade te geven, hebben de wetenschappers de kleine gaatjes gevuld met een speciale "beton" gemaakt van watergedragen polyurethaan (een type kunststof). Maar ze gebruikten niet zomaar gewoon beton; ze voegden twee geheime ingrediënten toe. Het eerste was boronnitride (BN) nanosheets. Stel je deze voor als microscopisch kleine, platte, gladde tegels die ongelooflijk goed zijn in het geleiden van warmte. Wanneer ze in de kunststof worden verspreid, creëren ze een snelweg waarlangs de warmte kan reizen, waardoor het materiaal niet te heet wordt. Het tweede ingrediënt was een complexe, hoogtechnologische vulstof: een kern gemaakt van een "high-entropy oxide" (een chique mengsel van vijf verschillende metalen in een kristalstructuur) bekleed met een glanzende laag zilver.
De high-entropy oxide kern werkt als een spons voor elektromagnetische golven. In plaats van de golven alleen maar van het oppervlak af te ketsen zoals een spiegel, laat het materiaal ze binnen en vangt ze op, waarbij de energie wordt omgezet in een klein beetje warmte die wordt geabsorbeerd. De zilveren laag voegt een laag supergeleidendheid toe, wat helpt om de golven te blokkeren en te reflecteren die proberen door te glippen. Door het nikkelfoam skelet, de warmtegeleidende BN-tegels en de golfabsorberende, met zilver beklede kernen te combineren, heeft het team een composietmateriaal gecreëerd dat een meester is in zowel warmtebeheer als het blokkeren van geluid.
De resultaten waren indrukwekkend. Het team mat het vermogen van het nieuwe materiaal om warmte te geleiden en stelde vast dat dit 0,91 W/m·K bereikte. Hoewel dit getal voor een natuurkundige misschien klein lijkt, is het bijna drie keer beter dan de gewone kunststof waarmee ze begonnen, wat bewijst dat de warmtegeleidende "tegels" precies werkten zoals gepland. Wat betreft het blokkeren van elektromagnetische ruis, presteerde het materiaal zelfs nog beter. Het bereikte een elektromagnetische afschermingseffectiviteit van 67,2 dB. Om dit in perspectief te plaatsen: dit is een zeer hoog beschermingsniveau, wat betekent dat het bijna alle interferentie blokkeert.
Wat deze ontdekking bijzonder slim maakt, is hoe het het lawaai blokkeert. De wetenschappers ontdekten dat de met zilver beklede kernen het spel veranderden. In plaats van de golven simpelweg weg te reflecteren (wat echo-problemen kan veroorzaken), liet het materiaal meer golven toe en absorbeerde ze vervolgens. De high-entropy oxide hielp de golven om te "matchen" met het materiaal, zodat ze naar binnen konden, en het zilver hielp die energie te dissiperen. Computersimulaties bevestigden deze bevindingen en lieten zien dat de golven inderdaad hun kracht verloren terwijl ze door het materiaal reisden.
Kortom, dit artikel laat zien dat door zorgvuldig verschillende materialen te stapelen — een metalen foamskelet, warmtegeleidende platen en golfabsorberende, met zilver beklede deeltjes — wetenschappers een materiaal kunnen creëren dat twee cruciale problemen tegelijkertijd oplost. Het houdt elektronica koel en voorkomt dat ze met elkaar interfereren, wat een veelbelovend nieuw pad biedt voor de bouw van de volgende generatie hoogwaardige gadgets.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.