Phát minh của Trung Quốc làm rung chuyển ngành vật liệu: Trộn tre với nhựa, tạo ra loại composite bền hơn 81% và dai hơn 173%, chống được sóng điện từ

Vật liệu mới được nhóm nghiên cứu tại Đại học Nông nghiệp An Huy, thành phố Hợp Phì, Trung Quốc, phát triển. Công trình được công bố trên tạp chí Sustainable Carbon Materials.

Điểm đáng chú ý là thay vì chủ yếu phản xạ sóng điện từ như nhiều vật liệu che chắn truyền thống, composite mới hấp thụ phần lớn năng lượng đi vào, qua đó hạn chế hiện tượng nhiễu thứ cấp.

Nhóm nghiên cứu cho rằng vật liệu có thể được ứng dụng trong điện thoại thông minh, máy tính xách tay và nhiều thiết bị điện tử cần lớp bảo vệ chống nhiễu điện từ.

Nhiễu điện từ, hay EMI, là những tín hiệu không mong muốn có thể ảnh hưởng đến hoạt động của mạch điện và thiết bị điện tử. Khi mật độ thiết bị không dây ngày càng tăng, việc kiểm soát nhiễu trở thành một vấn đề quan trọng trong thiết kế phần cứng.

Các vật liệu dẫn điện thông thường có thể chắn sóng điện từ, nhưng phần lớn hoạt động bằng cách phản xạ chúng. Điều này đôi khi tạo ra nhiễu mới ở khu vực xung quanh.

Để giải quyết vấn đề, nhóm khoa học sử dụng than sinh học từ tre - vật liệu giàu carbon được tạo ra bằng cách nung tre trong môi trường có rất ít hoặc không có oxy, quá trình gọi là nhiệt phân.

Than sinh học được xem là nguồn nguyên liệu tái tạo có tiềm năng thay thế một số chất độn dẫn điện truyền thống. Tuy nhiên, hai hạn chế lớn là độ dẫn điện còn thấp và khả năng liên kết với nhựa kém.

Nhóm nghiên cứu trước tiên nung bột tre trong môi trường nitơ để tạo than sinh học. Sau đó, vật liệu được xử lý bằng phương pháp gia nhiệt Joule chớp nhoáng, sử dụng một xung điện năng ngắn để thay đổi cấu trúc carbon.

Các hạt tiếp tục được xử lý bằng APTES, một hợp chất giúp tăng khả năng liên kết với nhựa.

Than sinh học sau biến tính được đặt giữa các lớp của hai loại nhựa có khả năng phân hủy sinh học là PLA và PBAT. Cấu trúc nhiều lớp tạo thành các đường dẫn khiến sóng điện từ phải truyền qua quãng đường dài hơn, từ đó liên tục bị hấp thụ và suy giảm.

Trong thử nghiệm, các nhà nghiên cứu so sánh nhiều phiên bản vật liệu, gồm composite sử dụng than sinh học chưa xử lý, than đã qua gia nhiệt chớp nhoáng, than biến tính hóa học và cấu trúc không phân lớp.

Phiên bản tối ưu đạt độ bền kéo 25,5 MPa, cao hơn 81% so với vật liệu đối chứng. Độ dai tăng 173%, lên 2,68 megajoule trên mỗi mét khối. Khả năng kéo giãn trước khi đứt cũng tăng hơn gấp đôi, từ 11,5% lên 24,7%.

Khả năng dẫn điện được cải thiện rõ rệt. Composite tối ưu đạt độ dẫn 12,8 siemens/cm, trong khi phiên bản sử dụng than tre chưa xử lý chỉ đạt 1,7 siemens/cm.

Khả năng chống nhiễu điện từ cũng cho thấy khác biệt lớn. Trong dải tần từ 8,2 đến 12,4 GHz, vật liệu mới đạt hiệu quả che chắn trung bình 36,7 dB. Trong khi đó, composite không sử dụng cấu trúc phân lớp nhưng chứa cùng lượng chất độn chỉ đạt 7,5 dB.

Đáng chú ý, phần lớn khả năng che chắn của vật liệu mới đến từ hấp thụ thay vì phản xạ. Khả năng hấp thụ đóng góp khoảng 30,8 dB, trong khi phản xạ chỉ chiếm 5,9 dB.

Các nhà khoa học cho rằng mạng lưới carbon kết hợp với cấu trúc nhiều lớp buộc sóng điện từ phải di chuyển qua quãng đường phức tạp hơn trong vật liệu, qua đó làm tiêu hao năng lượng của chúng.

Theo nhóm nghiên cứu, việc kết hợp đồng thời khả năng chống nhiễu điện từ và độ bền cơ học cao trong một vật liệu có nguồn gốc từ than sinh học có thể mở ra hướng mới cho thiết kế linh kiện điện tử.

Thay vì chỉ đóng vai trò lớp chắn sóng, vật liệu có thể trở thành một phần kết cấu của vỏ thiết bị, vừa chịu lực vừa hạn chế nhiễu. Những sản phẩm như điện thoại, máy tính xách tay và thiết bị điện tử khác là các ứng dụng tiềm năng được nhóm nghiên cứu đề cập.

Theo IE