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Fogli sottili di carbonio per schermare le microonde

I compositi di carbonio hanno molte proprietà utili e ne vengono scoperti in continuazione nuovi potenziali impieghi. Un team di ricercatori ha sviluppato una varietà di fogli sottili per sfruttarne le proprietà elettromagnetiche per la schermatura delle microonde.
Fogli sottili di carbonio per schermare le microonde
Le proprietà insolite dei carboni ad elevata superficie forniscono agli scienziati la straordinaria opportunità di realizzare materiali compositi con proprietà elettriche ed elettromagnetiche utili. I compositi di carbonio sono particolarmente utili come schermatura elettromagnetica di peso ridotto e ultrasottile.

Allo stesso tempo, è risaputo che le schiume di carbonio ultraleggere hanno una capacità di schermatura elettromagnetica molto elevata grazie alla loro struttura cellulare. Inoltre, sono economici, buoni isolatori di calore e incredibilmente forti, considerata la loro leggerezza.

Gli scienziati hanno iniziato a studiare le proprietà delle pellicole carboniose ultrasottili e le loro proprietà elettromagnetiche. «Prevediamo che possano assorbire fino al 50 % della potenza incidente delle microonde, nonostante il loro spessore equivalga solo a una piccola parte della profondità della cute», afferma il dott. Alain Celzard, il ricercatore alla guida del gruppo che studia queste proprietà.

Attraverso l’iniziativa NAmiceMC, finanziata dall’UE, il team ha deciso di creare un modo economico, leggero ed ecologico per creare schermature elettromagnetiche. Ispirato da una struttura unica che si trova negli occhi di falena, il gruppo puntava a creare un materiale in grado di assorbire lunghezze d’onda delle microonde.

NAmiceMC ha confrontato le differenze in termini di efficacia rispetto alla schermatura elettromagnetica nelle schiume di carbonio, nelle pellicole di carbonio ultrasottili e nei compositi di carbonio. I ricercatori hanno testato questi diversi materiali su una gamma di frequenze di microonde e li hanno confrontati con un modello teorico dell’elettromagnetismo dei materiali.

Il gruppo ha condotto uno studio comparativo sull’efficacia della schermatura elettromagnetica di diversi materiali e disposizioni. «In questo progetto abbiamo dimostrato che tutti i tipi di struttura in carbonio studiati potrebbero essere efficaci per risolvere il problema di compatibilità elettromagnetica», afferma il dott. Celzard.

Composti utili

Laddove è necessaria leggerezza, il gruppo ha scoperto che sono preferibili sia le pellicole di carbonio sottili sia le schiume o gli aerogel di carbonio. Quando sono necessarie buone proprietà meccaniche, ha invece riscontrato che la scelta migliore era costituita da compositi polimerici riempiti con carbonio per un’efficienza di schermatura ad elevata interferenza elettromagnetica.

I ricercatori hanno sviluppato una banca dati con un’ampia raccolta di proprietà elettromagnetiche ed efficienza di schermatura elettromagnetica per ciascun tipo di materiale studiato nel progetto. Hanno proposto una disposizione efficace delle particelle, in un modo che descrive le caratteristiche più importanti dei compositi a base di grafite esfoliata. Il gruppo è riuscito a creare una metodologia utile e chiara per modellare le composizioni senza ricorrere a software commerciali.

«La metodologia sviluppata ha fornito una migliore comprensione dei processi fisici nei materiali compositi a base di nanocarburi», osserva il dott. Celzard. Il gruppo ha scoperto che i materiali schermanti più adatti sono quelli con la conduttività più elevata possibile nel campo delle basse frequenze e con uno spessore limitato.

NAmiceMC prevedeva un assorbimento elevato che avrebbe influenzato la dimensione delle celle e delle finestre delle schiume di carbonio reticolate nella disposizione del materiale. Tuttavia, il gruppo ha scoperto che la conduttività dello scheletro di carbonio era così elevata che queste strutture erano per lo più riflettenti nelle gamme a bassa frequenza e microonde. I ricercatori hanno scoperto con sorpresa che le schiume di carbonio reticolato potrebbero essere molto assorbenti nella gamma dei terahertz, molto più elevata delle dimensioni della finestra previste.

Prosecuzione

Il gruppo di NAmiceMC è attivo nella prosecuzione della ricerca nel campo delle applicazioni elettromagnetiche di varie strutture in carbonio poroso. I ricercatori hanno intenzione di progettare nuove metasuperfici basate su una tecnica sviluppata durante il periodo del progetto, in grado di trasformare strutture 3D di forma arbitraria in materiali magnetici carboniosi.

NAmiceMC progetta di dimostrare sperimentalmente il concetto di un buco nero elettromagnetico e di costruire il prototipo di un rilevatore elettromagnetico altamente sensibile, un’attività per la quale quest’anno ha già presentato una proposta di MSCA RISE.

Argomenti

Life Sciences

Keywords

NAmiceMC, schermatura elettromagnetica, schiume di carbonio, proprietà elettromagnetiche, materiali compositi in carbonio, compatibilità elettromagnetica, schermatura delle microonde