Le blindage est crucial pour toutes sortes d’appareils électroniques. Que vous souhaitiez empêcher le bruit de l’alimentation d’un amplificateur audio ou protéger les ICBM contre une impulsion électromagnétique d’une attaque nucléaire, la physique de base derrière le blindage reste la même. Une cage ou un bouclier de Faraday fera l’affaire.
Parfois, cependant, il serait souhaitable de protéger et de déprotéger un appareil à volonté. Une nouvelle classe de matériaux connue sous le nom de MXenes pourrait être en mesure d’offrir cette fonctionnalité, avec des films microscopiquement minces servant de boucliers qui peuvent être activés et désactivés à volonté.
Fermez-le
Pour comprendre comment les MXenes fabriquent une cage de Faraday qui peut être allumée et éteinte, nous devons d’abord comprendre les cages et les boucliers de Faraday eux-mêmes. Les boucliers de Faraday sont des enceintes créées à partir d’un matériau conducteur qui servent à bloquer le rayonnement électromagnétique de leur intérieur. Les cages de Faraday sont à peu près la même chose, mais sont construites avec des mailles plutôt qu’avec un matériau continu. Vous avez probablement repéré des blindages sur toutes sortes d’équipements, comme les systèmes stéréo ou votre vieil Amiga 500. Le principe de base est qu’un champ électrique externe autour d’un blindage de Faraday fait que les charges électriques dans le blindage se répartissent d’une manière qui annule l’effet du champ externe à l’intérieur du bouclier lui-même.
Les boucliers de Faraday ont tendance à atténuer assez efficacement une large gamme de fréquences. Dans le cas des cages de Faraday, cependant, la taille des trous dans le maillage de la cage joue un rôle majeur dans la pénétration du rayonnement électromagnétique. Les longueurs d’onde plus courtes correspondent à des fréquences plus élevées et passeront mieux à travers les mailles avec une taille de trou donnée. Une bonne règle empirique est que les trous dans le maillage doivent être inférieurs à 1/10e de la longueur d’onde à atténuer. Par exemple, les transmissions radio 2,4 GHz ont une longueur d’onde de 125 mm. Ainsi, une cage de Faraday conçue pour bloquer cette fréquence nécessiterait un maillage inférieur à 12,5 mm. La lumière visible, qui est une onde électromagnétique avec une longueur d’onde beaucoup plus petite, passerait facilement à travers un tel maillage.
Gravure loin
Les matériaux eux-mêmes sont constitués d’une couche métallique conductrice sous la forme d’un carbure, d’un nitrure ou d’un carbonitrure, pris en sandwich entre des couches d’oxyde. Ils sont généralement fabriqués à partir de métaux de transition comme le titane, le vanadium, le niobium ou le chrome. Les MXènes sont fabriqués à partir de phases MAX, une famille de carbures et de nitrures en couches hexagonaux qui contiennent également des éléments du «groupe A» comme l’aluminium, le germanium ou le gallium. Ces éléments du groupe A sont éliminés ou « gravés » par des processus chimiques, laissant les atomes métalliques (M) et de carbone ou de nitrure (X) – d’où le nom.
La valeur des MXenes est qu’ils sont conducteurs, tout en ayant une structure en forme de maille. Si vous avez suivi jusqu’ici, vous saurez que les dimensions de cette structure maillée déterminent la capacité de blindage du matériau en tant que cage de Faraday. Dans le cas des MXènes, la taille des trous dans la structure maillée peut être modifiée en combinant les matériaux avec une solution d’électrolyte. En appliquant une charge électrique à la combinaison d’électrolyte et de matériau MXene, les ions peuvent être amenés à circuler d’une manière qui étire ou comprime la structure MXene. À son tour, cela fait varier la conductivité et les performances de blindage du matériau.
Tel que publié dans Nature, les chercheurs ont pu créer un blindage pratique à l’aide de MXenes qui peuvent être activés et désactivés. Lors des tests, un film mince de MXene a pu atténuer ou laisser passer de manière variable les signaux de la bande X, de 8,2 GHz à 12,4 GHz, en appliquant des potentiels inférieurs à un volt. Le film a facilement résisté à plus de 500 cycles de commutation lors des tests tout en conservant le même niveau de performances. Les travaux futurs impliqueront de tester les performances de blindage du matériau à d’autres gammes de fréquences et d’augmenter la force de l’effet de blindage.
Il s’appuie sur des travaux antérieurs qui ont exploré l’utilisation de mousses conductrices compressibles dans le même but. L’avantage des films MXene est que le même effet peut être obtenu à un niveau beaucoup plus petit. Les mousses de blindage variables ont une épaisseur de l’ordre du millimètre et doivent être comprimées ou décomprimées mécaniquement. Les films MXene, en revanche, peuvent être contrôlés électriquement et ont une épaisseur inférieure à un micromètre. Ils pourraient même potentiellement être transformés en micropuces elles-mêmes en tant que bouclier RF variable et contrôlable.
C’est une technologie passionnante qui pourrait bien être la nouvelle tendance dans le monde RF. Alternativement, MXenes pourrait être le nouveau graphène – le chouchou des médias scientifiques qui n’a toujours pas tenu toutes les promesses fantastiques autrefois prédites. Comme toujours, le temps nous le dira. Dans tous les cas, pour ne pas vous mettre dans l’embarras lors d’une future conférence, sachez simplement ceci : le terme se prononce « max-eens ».
