Максен из карбида титана превратил ткань в клетку Фарадея

Американские материаловеды разработали простой способ получения ткани с защитой от электромагнитного излучения гигагерцового диапазона. Для этого они несколько раз погружали хлопковые и льняные ткани в водный коллоидный раствор двумерного карбида титана. Подобная ткань работает схожим образом, что и клетка Фарадея — она смогла снизить излучение в сто миллионов раз, что превышает на три порядка существующие аналоги тканей с металлизированными включениями. Статья опубликована в журнале Carbon.

Электромагнитное излучение, согласно Всемирной организации здравоохранения, обладает возможным канцерогенным эффектом для человека — подробнее мы рассказывали об этом в нашем материале «Рак по телефону». К тому же электромагнитное излучение может привести к выводу из строя электрических устройств, что изучают и используют и американские, и российские военные для поражения беспилотных аппаратов и техники противника. Принцип защиты от воздействия электромагнитного излучения изобрел еще Фарадей: от воздействия электромагнитного поля можно экранироваться с помощью проводящей клетки.

Экранировка электромагнитного поля происходит за счет появления индуцированных зарядов на поверхности проводящей оболочки, которые компенсируют электрическое поле (и соответственно магнитное). В итоге напряженность электрического поля в полости равна нулю, что и защищает технику и человека, находящегося внутри. Принцип клетки Фарадея применяют, например, к строительным материалам для постройки зданий со стратегически важными вычислительными системами — четыре года назад американские инженеры разработали проводящий бетон. И если с воздействием на технику понятно как бороться, для человека это не совсем применимо — металлические сетки плохо комбинируются с одеждой.

Существует два подхода: создание проводящих волокон и плетение из них тканей или же модифицирование обычных тканей проводящими материалами. Первый подход пока что не годится по механическим свойствам проводящих материалов. Второй подход более реален — однако существующие проводящие добавки (углеродные материалы, проводящие полимеры или металлические частицы) имеют проблемы со стабильностью и с нанесением на ткани. На помощь приходят двумерные карбиды или нитриды переходных металлов — максены. На поверхности максена на основе карбида титанаTi₃C₂T_x находятся разные функциональные группы (кислород, гидроксил, фторид или хлорид), за счет чего она становится гидрофильной, что существенно упрощает их нанесение на ткани.

Группа материаловедов под руководством Юрия Гогоци (Yury Gogotsi) из Университета Дрекселя предложили способ для получения ткани с экранировкой от электромагнитного излучения с помощью погружения ткани в коллоидный раствор максена Ti₃C₂T_x. Для получения коллоидного раствора максена исследователи обработали порошок Ti₃AlC₂ смесью соляной и плавиковой кислоты, а затем расслоили карбид титана с помощью хлорида лития. Затем раствор декантировали, несколько раз центрифугировали и подвергли ультразвуковому воздействию для получения однородного раствора. С помощью динамического светорассеяния ученые выяснили, что после ультразвуковой обработки частицы обладают размером в 320 нанометров. А при анализе рентгеновской дифракции пленки из высушенного раствора подтвердилось, что все частицы слоистые и упакованы вдоль кристаллографического направления c.

В качестве обрабатываемых тканей ученые выбрали хлопок и лен. Во время погружения ткани в коллоидный раствор отрицательно заряженные частицы максена прилипали к гидрофильным волокнам ткани и проникали в ее за счет перемешивания. Одно погружение в коллоидный раствор происходило в течение одной минуты. В зависимости от количества погружений загрузка частицами максена изменялась от 2,5 до 18,6 миллиграмм на квадратный сантиметр для хлопка и от 2,2 до 18,3 — для льна. После четырех погружений и высушивания ткани обладали сопротивлением в шесть ом на сантиметр, тогда как после 24 погружений 0,6 и 0,8 ом на сантиметр для хлопка и льна соответственно.

В зависимости от загрузки менялась и эффективность экранировки электромагнитного излучения. Необработанные ткани никак не экранируют электромагнитное излучение в диапазоне 8,2-12,4 гигагерц, тогда как после четырех циклов погружения эффективность экранирования (она измеряется в децибелах и равна десятикратному логарифму отношения энергии падающего излучения к энергии пропущенного излучения) уже составила 40 децибел (а значит ткань задержала 99,99 процента излучения). С ростом загрузки росла и эффективность — для 24 циклов погружения она составила 80 децибел (то есть сквозь ткань проходит лишь одна стомиллионная доля излучения).

При сравнении максеновых тканей с существующими аналогами (нержавеющая сталь, медь, серебро или мельхиор) оказалось, что максен защищает от электромагнитного излучения на уровне или лучше остальных примерно в два раза (в зависимости от степени загрузки ткани частицами). Для наглядной демонстрации ученые завернули телефон в максеновую ткань и не смогли до него дозвониться, а значит нужный диапазон длин волн такая ткань в повседневном использовании заметно ослабит.

Ученые исследовали способность обработанной ткани защищать от излучения в течении двух лет — эффективность упала на 10 децибел и составила приблизительно 70 децибел, что все еще выше, чем у коммерческих аналогов. Потерю эффективности материаловеды объясняют окислением тонкого слоя максена, из-за чего повысилось сопротивление ткани. После 45 стирок при 80 градусах Цельсия понижение эффективности происходило лишь на три процента. Проведя анализы с помощью Рамановской спектроскопии, ученые пришли к выводу, что химический состав соединения остался таким же, а потому максеновую ткань можно признать стабильной.

Такие изобретения позволят упростить получение защитной одежды для работы в условиях излучения большой мощности. Это одно из ограничений для перехода человечества на повсеместную беспроводную зарядку устройств, подробнее об этом можно прочитать в нашем материале «На зарядку становись».

Артем Моськин