エレクトロスピニングされたナノ素材が優れた保護力を発揮

エレクトロスピニングは、電荷の蓄積に直面したときの液体の表面張力の興味深い挙動を利用する、ナノマテリアルを製造する最先端の方法であり、さまざまな物質から保護できる生地を製造するために導入されました。

清華大学出版局

画像: MXene と磁性ナノ粒子がナノシートに埋め込まれ、エレクトロスピニング シリンジから布地の糸に形成される様子を示す漫画。もっと見る

クレジット: Nano Research、清華大学出版局

技術者らは、ナノマテリアルを製造する新しい技術である「エレクトロスピニング」を利用して、電磁干渉に対する高性能の保護を提供する新しい生地を製造した。電磁干渉は、電子機器の誤動作を引き起こし、高レベルの曝露で人間の健康に害を及ぼす可能性がある現象である。

この技術は、2022 年 12 月 31 日に Nano Research に掲載された論文で説明されています。

電気機器によって生成される電界と磁界は、内部または外部のデジタル システムに悪影響を与える可能性があります。 このような機器が互いに近接して動作している場合、特にペースメーカーやインスリンポンプなどの輸送機器や医療機器の場合、このような混乱は危険な誤動作を引き起こす可能性があります。 そして、この干渉は電子機器に影響を与えるだけでなく、短期間に非常に高いレベルで、生体電磁プロセスを一部利用している人間の生物学も危険にさらされる可能性があります。

これらすべての理由から、人、デバイス、デバイスの一部を電磁干渉から守るために多大な努力が払われています。 デバイス、特にウェアラブルデバイスが大きくなりすぎて重くなるのを避けるために、そのようなシールドは軽量で柔軟である必要もあります。

1960 年代以降、このようなシールドには、金属線織物、化学繊維と混合した金属線、および銀メッキの使用が中心になりました。 しかし、高コストと柔軟性の低さが、このような電磁波防護布地が広く受け入れられる上での大きな障壁となっていました。

最近では、主に軍事ステルス技術の電磁シールドのニーズのおかげで、グラフェンからカーボンエアロゲル、カーボンナノチューブに至るまでの新しい炭素ベースの材料が、これらの材料の特殊な構造のおかげで、さまざまな電磁吸収およびシールドの用途に適用され、大きな成功を収めています。ミクロおよびナノスケールでは、電磁波の高い減衰を達成するために、主に層間の放射線の散乱と反射、および電子移動に依存します。 また、高い導電性と表面積、軽量、柔軟性、環境の持続可能性という利点もあります。

いわゆる一次元材料（長さが 1 ～ 100 ナノメートルで事実上幅がない非常に薄いリボンまたはワイヤ）と二次元材料（同様に薄い材料ですが、極めて薄い紙）は、特に優れた電磁波吸収・遮蔽特性を持っています。

「しかし、ここでも、生地本来の柔軟性を維持しながら、電磁波防止、耐久性、快適さなどの複数の機能を統合することは、依然として困難な課題です」と論文の筆頭著者でありバイオファイバー国家重点研究所の研究員Shuo Zhang氏は述べた。青島大学材料科学工学部エコテキスタイル学科。

しかし、近年、炭化物（炭素と金属の化合物）と窒化物（窒素の無機化合物）で作られた一連の二次元層状構造が電磁波シールド研究者の間で注目を集め始めています。 これらの 2D 材料は「MAX」物質から生成されるため「MXene」と呼ばれます。M はチタン、バナジウム、クロムなどの初期遷移金属を表します。 A は、アルミニウム、シリコン、錫など、周期表のグループ A の元素のいずれかを表します。 X は炭素または窒素を表します。 「ene」という接尾辞は、グラフェンとのナノ構造の類似性を示唆するために付けられています。

通常、これらの MXene は、MAX 物質をフッ化水素酸に浸漬してエッチングするプロセスを介して生成されます。 その 2D 層状構造は、内部反射に対する多くのオプションを提供するだけでなく、優れた電子伝達効率、高い表面積、および機械的特性を提供し、そのすべてが優れた電磁波の吸収を実現します。

これまでで最高のパフォーマンスを発揮するMXeneは、1.1ミリメートルで-41.8デシベルの「反射損失」性能を達成しました。

研究者らは、エッチング以外の製造方法を探ることでこれを克服できると考え、エレクトロスピニングに注目した。 これは、非常に細いナノスケールの繊維を製造する技術です。 目的の物質を含む溶液を先端に針の付いた注射器に入れ、高圧電源によって液体の表面に電荷を集めます。 ある時点で、電荷間の静電反発力が溶液の表面張力を超えます。 これにより、液体の非常に細かいジェットが生成され、注射器から液体が噴出するときに乾燥し、静電反発力によってさらに引き伸ばされます。

エレクトロスピニング技術は、操作が簡単であるだけでなく、ナノファイバーを製造する最も簡単で安価な方法の 1 つも提供します。

エレクトロスピニングによって得られる繊維の微細構造、直径、配向および積層密度は、プロセスパラメータを変更することによって調整することもできます。 エレクトロスピニングおよび高温熱処理後、エレクトロスピニング前駆体溶液に磁性金属元素を添加することにより、得られるナノ繊維複合膜は大きな磁気損失を生じ、電磁波減衰性能が大幅に向上します。

研究者らは、磁性鉄および磁性ニッケルナノ粒子、および一次元カーボンナノファイバー（CNF）と組み合わせた二次元MXeneナノシートの新しい複合材料をエレクトロスピニングした。 エレクトロスピニングによって得られる多次元複合電磁保護ファブリックは、コストを削減し、加工の難しさを排除しながら、過去に製造された初期の MXene 電磁波吸収材を悩ませていた課題である 1D 構造の凝集と 2D 構造の自己積層を効果的に回避します。 。

その素材は確かに以前の最高性能を上回り、2.7mmで-54.1デシベルの電磁波吸収性能を達成しながら、高い柔軟性と軽量防水性を備え、過酷な環境下でも保護生地に優れた耐久性をもたらします。

この論文は、清華大学出版局の SciOpen (https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-5368-1) からも入手できます。

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10.1007/s12274-022-5368-1

フレキシブル電磁波吸収体としての電界紡糸 Fe0.64Ni0.36/MXene/CNFs 多成分ヘテロ構造ナノファイバー膜

2022 年 12 月 31 日

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