Sustainable Bamboo-Activated Carbon/MXene/Carbonyl Iron Hybrid Fillers in Silicone Rubber: Toward Lightweight and Flexible Microwave Absorbers

De wereld om ons heen is gevuld met onzichtbare golven. Van de signalen die onze tekstberichten overbrengen tot de radarstralen die vliegtuigen volgen: deze elektromagnetische golven zijn essentieel voor het moderne leven. Echter, wanneer er te veel van deze golven ongecontroleerd rondkaatsen, creëren ze interferentie die gevoelige elektronica kan verstoren of de locatie van stealth-vliegtuigen kan onthullen. Om dit op te lossen, hebben ingenieurs materialen nodig die deze golven kunnen opslokken in plaats van ze terug de lucht in te reflecteren. De uitdaging ligt in het vinden van een substantie die licht genoeg is om door een vliegtuig of drone gedragen te worden, flexibel genoeg is om om gebogen oppervlakken te wikkelen, en effectief genoeg is om een breed scala aan frequenties te absorberen zonder te dik of te zwaar te worden.

Een team onderzoekers van universiteiten uit Assam, India, heeft een nieuw composietmateriaal ontwikkeld dat aan deze veeleisende criteria voldoet door vier verschillende ingrediënten te combineren in één enkele, flexibele laag. Ze mengden een type magnetisch poeder dat bekend staat als carbonylijzer, een tweedimensionaal materiaal genaamd MXene, en een poreuze koolstof afkomstig van bamboe in een zachte, rubberachtige basis. Het doel was om een lichtgewicht absorber te creëren die kan opereren binnen de X-band, een specifiek frequentiebereik dat wordt gebruikt door veel radar- en communicatiesystemen. Door de hoeveelheden van elk ingrediënt zorgvuldig af te stemmen, creëerden de wetenschappers een materiaal dat signalen niet alleen blokkeert, maar hun energie ook actief omzet in warmte, wat een duurzame en praktische oplossing biedt voor het beschermen van elektronica en het verbeteren van stealth-technologie.

De reis begon met de selectie van de grondstoffen, die elk om een specifieke reden waren gekozen. De onderzoekers begonnen met bamboe, een snelgroeiende plant, die zij transformeerden tot geactiveerde koolstof. Dit proces hield in dat de bamboe tot hoge temperaturen werd verhit en behandeld met chemicaliën om een sponsachtige structuur vol met minuscule gaatjes te creëren. Deze poreuze koolstof fungeert als een diëlektrisch component, wat betekent dat het interageert met het elektrische deel van de inkomende golven. Vervolgens introduceerden ze carbonylijzer, dat bestaat uit minuscule, bolvormige ijzerdeeltjes. Deze deeltjes zijn magnetisch en interageren met het magnetische deel van de golven. Het derde ingrediënt was MXene, een materiaal gemaakt van lagen titanium en koolstof dat elektriciteit zeer goed geleidt. Ten slotte werden al deze componenten ingebed in een siliconenrubber-matrix, die alles bij elkaar houdt terwijl het eindproduct flexibel en duurzaam blijft.

Om te testen hoe goed deze mengeling werkte, maakten de onderzoekers drie verschillende versies, of formuleringen, waarbij de hoeveelheid bamboekoolstof en ijzer varieerde terwijl de MXene en het rubber constant bleven. Ze plaatsten deze monsters in een gecontroleerde omgeving en stuurden microgolfsignalen naar hen over de X-band, die loopt van 8,2 tot 12,4 gigahertz. De onderzoekers maten hoeveel van het signaal terugkaatste versus hoeveel er werd geabsorbeerd. Ze ontdekten dat de balans tussen het magnetische ijzer en de poreuze koolstof cruciaal was. Als er te veel ijzer aanwezig was, werd het materiaal te magnetisch en reflecteerde het de golven. Als er te veel koolstof aanwezig was, werd het materiaal te elektrisch geleidend, wat ook tot reflectie leidde. Het ideale punt werd gevonden in de formulering met de hoogste hoeveelheid bamboekoolstof en een iets lager gehalte aan ijzer.

Het best presterende monster, dat 7,5 procent bamboekoolstof, 17,5 procent ijzer en 5 procent MXene bevatte, behaalde opmerkelijke resultaten. Wanneer een microgolfsignaal dit materiaal raakte, absorbeerde het 99,5 procent van de energie bij een frequentie van 10,8 gigahertz. In technische termen betekent dit dat het materiaal slechts een fractie van het signaal reflecteerde, met een verlieswaarde van min 23 decibel. Bovendien was dit monster effectief over een breed bereik van frequenties, waarbij het signalen continu absorbeerde over een bereik van 3,15 gigahertz. Deze brede bandbreedte is cruciaal omdat signalen in de echte wereld zelden slechts één vaste frequentie hebben; ze variëren, en een goede absorber moet die variatie kunnen opvangen. Het materiaal behaalde deze prestatie met een dikte van slechts 3 millimeter, waardoor het geschikt is voor toepassingen waarbij ruimte en gewicht van groot belang zijn.

Het succes van dit materiaal berust op hoe de verschillende componenten samenwerken binnen het rubber. De magnetische ijzerdeeltjes resoneren van nature bij deze frequenties, waarbij ze fungeren als kleine antennes die de magnetische energie van de golven opvangen. De bamboekoolstof en de MXene-lagen interageren met de elektrische energie, wat wrijving op microscopisch niveau creëert die de energie van de golf omzet in warmte. De poreuze structuur van de bamboekoolstof helpt ook door de golven intern te verstrooien, waardoor ze binnen het materiaal rondkaatsen totdat hun energie volledig is verbruikt. Het siliconenrubber zorgt ervoor dat deze deeltjes correct op afstand worden gehouden zodat ze niet samenklonteren, wat het effect zou verpesten. Deze combinatie maakt het mogelijk dat het materiaal de impedantie van de lucht evenaart, wat betekent dat de golven gemakkelijk het materiaal binnendringen in plaats van van het oppervlak terug te kaatsen, en vervolgens binnenin worden gevangen en geabsorbeerd.

De onderzoekers bevestigden ook de fysieke structuur van hun creatie met behulp van diverse beeldvormingstechnieken. Ze observeerden dat de ijzerdeeltjes gelijkmatig verdeeld waren en dat de MXene-bladen als dunne, gerimpelde lagen door het rubber verspreid waren. De bamboekoolstof verscheen als fragmenten die de gaten tussen de andere materialen vulden, waardoor een complex netwerk van interfaces ontstond. Dit ingewikkelde interne landschap is wat het materiaal zo effectief maakt. De studie benadrukte ook het duurzaamheidsaspect van het werk, aangezien het gebruik van bamboiafval om de koolstofcomponent te creëren de ecologische voetafdruk verkleint in vergelijking met het gebruik van synthetische materialen of het mijnen van zware metalen.

Hoewel het materiaal uitstekende prestaties leverde in het laboratorium, merkten de onderzoekers op dat de effectiviteit ervan kan worden afgestemd door de dikte te veranderen. Een dikker stuk van het materiaal zou signalen bij iets lagere frequenties absorberen, terwijl een dunner stuk hogere frequenties zou targeten. Deze regelbaarheid betekent dat hetzelfde basisrecept kan worden aangepast aan verschillende specifieke behoeften zonder de ingrediënten te veranderen. De studie concludeert dat deze vierdelige mengeling een levensvatbaar pad vooruit vertegenwoordigt voor het creëren van lichtgewicht, flexibele radarabsorberende materialen. Het demonstreert dat door een magnetisch component, een geleidend 2D-materiaal, een duurzame poreuze koolstof en een flexibel polymeer te combineren, het mogelijk is om een schild te creëren dat zowel krachtig als praktisch is voor de complexe elektromagnetische omgeving van de toekomst.