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Zürich, 02.07.2020
Les chercheurs de l'Empa ont réussi à rendre des aérogels à base de nanofibres de cellulose utiles pour la microélectronique. Ces matériaux inégalés en terme de poids protègent des radiations électromagnétiques sur une large gamme de fréquences.
Les moteurs électriques et les appareils électroniques génèrent des champs électromagnétiques et doivent parfois être blindés afin de ne pas affecter les composants électroniques voisins ou la transmission des signaux, a indiqué jeudi le Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche (Empa) dans un communiqué.
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.
Fibre de cellulose
Une équipe de l'Empa dirigée par Zhihui Zeng et Gustav Nyström a pensé aux aérogels, des matériaux semblables à du gel où le composant liquide est remplacé par du gaz. Les chercheurs ont utilisé comme base des nanofibres de cellulose, obtenues à partir du bois.
A l'aide d'un mélange de nanofibres de cellulose et de nanofils d'argent, les scientifiques ont réussi à créer des structures fines ultra-légères qui offrent un excellent blindage contre les rayonnements électromagnétiques.
L'effet du matériau est jugé impressionnant: 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.
Cristaux de glace
Ce n'est pas seulement le bon mélange de cellulose et de fils d'argent qui est déterminant, 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.
Le plus léger du monde
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. Ces recherches ont été publiées dans les revues ACS Nano et Advanced Science.