Przez dekady odpowiedź na zakłócenia elektromagnetyczne była zaskakująco staroświecka. Jeśli naprawdę nie chcesz, by niepożądane sygnały wydostawały się na zewnątrz albo wdzierały do środka, zamykasz elektronikę w metalowej obudowie i tworzysz tym samym małą klatkę Faradaya. To podejście działa znakomicie w przypadku masywnego serwera czy stalowej szafy na aparaturę, ale w każdym innym scenariuszu, który nie może objąć ot kawału metalu, już niespecjalnie. Zespół z University of Glasgow twierdzi jednak dumnie, że znalazł inną drogę: użył srebrnych nanodrutów i ultrakrótkich impulsów laserowych do “narysowania” niemal niewidocznej tarczy na przezroczystej powłoce. Żeby zrozumieć, dlaczego to jest istotne, trzeba się przyjrzeć zarówno samemu problemowi, jak i technologii, która za tym stoi.
Dlaczego zakłócenia elektromagnetyczne stały się problemem?
Zakłócenia elektromagnetyczne, w skrócie EMI, to sytuacja, w której niepożądane pola elektromagnetyczne zakłócają normalną pracę urządzenia. Mogą objawiać się jako zaszumiony dźwięk, migający obraz, a w najgorszym przypadku jako awaria implantu medycznego lub czujnika odpowiedzialnego za bezpieczeństwo. Wraz z rosnącą liczbą urządzeń bezprzewodowych i przesuwaniem się częstotliwości w zakres pasm środkowych i milimetrowych, rośnie ryzyko nieplanowanych interakcji między przeróżnymi urządzeniami. Zwłaszcza że współczesna elektronika konsumencka i medyczna dzieli pasma w okolicach 2,4 i 5 gigaherców dla Wi-Fi i Bluetooth oraz okolic 3,5 gigaherca i wyżej dla usług 5G w paśmie środkowym i jest to dokładnie ten zakres, w który celują nowe powłoki z nanodrutami.
Czytaj też: Klasyczne kryształy właśnie dostały godnego rywala. Fizycy musieli połączyć trzy dziedziny nauki, by to zrozumieć
Regulatorzy już dziś wymuszają normy kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) dla wszystkiego (od smartfonów po sprzęt szpitalny) ale przepisy te powstawały w świecie dość sztywnych obudów i płytek drukowanych schowanych w metalowych ramach. Trend projektowy biegnie w przeciwną stronę. Elastyczne wyświetlacze, skórne czujniki, giętkie anteny i przezroczyste interfejsy sprawiają, że coraz trudniej jest ukryć ekranowanie za nieprzezroczystym metalem. W efekcie dzisiejsze urządzenia muszą tłumić szum z zewnątrz, nie zabijając przy tym przezroczystości, elastyczności ani łączności bezprzewodowej. Z tym właśnie problemem postanowiła zmierzyć się grupa z Glasgow.
Klasyczne osłony: gruby metal albo kruche powłoki przezroczyste
Tradycyjne rozwiązania EMI w elektronice użytkowej opierają się na metalowych “puszkach” lutowanych nad wrażliwymi elementami, farbach przewodzących albo laminowanych foliach metalowych. Zapewniają one znakomite ekranowanie, często spokojnie powyżej 60 decybeli, ale są sztywne, ciężkie w zestawieniu z cienkimi foliami polimerowymi i całkowicie nieprzezroczyste. Po prostu nie wchodzą w grę, jeśli ekran ma leżeć na wyświetlaczu, okienku kamery czy przezroczystej elektrodzie. Oczywistą alternatywą są przezroczyste warstwy przewodzące.
Klasyką gatunku jest tutaj tlenek indowo-cynowy, czyli przezroczysty tlenek przewodzący, który jest nanoszony jako cienka warstwa na szkło lub plastik. Jest powszechnie stosowany w ekranach dotykowych i panelach LCD, bo łączy przyzwoitą przewodność z ponad 80-procentową przepuszczalnością światła widzialnego. ITO ma jednak zasadniczą wadę – jest kruchy. Przy wielokrotnym zginaniu pęka, co dyskwalifikuje go w składanych telefonach, rolowanych wyświetlaczach czy rozciągliwych łatkach medycznych.
Inne projekty badawcze koncentrują się na grafenie, MXenach, sieciach nanorurek węglowych i hybrydowych siatkach metalowych. Materiały te potrafią oferować imponującą skuteczność ekranowania i dużą elastyczność, ale każdy ma swój zestaw kompromisów. MXeny są na przykład bardzo dobrze przewodzące i można je projektować pod szerokopasmowe EMI, ale rodzą pytania o długoterminową stabilność chemiczną i masową produkcję. Folie grafenowe mogą być jednocześnie przezroczyste i przewodzące, jednak nadal zmagają się z kosztami i skalą procesów przemysłowych w porównaniu z dojrzalszymi technologiami.
Metaliczne nanodruty, zwłaszcza te srebrne, wyrastają od dekady na jednego z najbardziej obiecujących kandydatów. Są elastyczne z natury, można je nanosić z roztworu metodami druku i powlekania, a pod względem kombinacji przewodność-przezroczystość potrafią dorównać lub przewyższyć ITO. Problem w tym, że losowo rozrzucona sieć nanodrutów rzadko zapewnia jednocześnie wysoką transmisję światła i mocne ekranowanie EMI. Tutaj właśnie do gry wchodzi nowe dzieło naukowców.
Programowalna kratka nanodrutów zamiast losowego spaghetti
Praca prowadzona przez zespół z University of Glasgow proponuje zupełnie inny sposób ułożenia tych drutów. Zamiast pozwalać, by srebrne nanodruty samoczynnie osiadały na podłożu w przypadkowych orientacjach, badacze umieszczają je na cienkiej powłoce polimerowej, a następnie wykorzystują precyzyjnie sterowane pole elektryczne, aby przesuwać i obracać każdy drut w odpowiednie miejsce. Technika nosi nazwę dielektroforezy międzyfazowej (w skrócie i-DEP), dzięki której można stworzyć specyficzny wzór elektrod, który generuje specyficznie ukształtowane pole elektryczne wzdłuż powierzchni cienkiej warstwy cieczy, w której właśnie zawieszone są nanodruty. Każdy drut odczuwa siłę, która przyciąga go i obraca, aż ustawi się zgodnie z lokalnym kierunkiem pola.
Zmieniając w czasie wzór elektrod i rozkład pola, badacze mogą prowadzić nanodruty wzdłuż dobrze określonych ścieżek, łuków i kątów zamiast tworzyć przypadkową pajęczynę. Powstała w ten sposób powłoka opiera się na cienkim podłożu z poliimidu i ma łącznie około 5,1 mikrometra grubości. Jest to mniej więcej jedna dziesiąta średnicy typowego ludzkiego włosa. Same srebrne nanodruty są znacznie cieńsze, bo tysiące razy cieńsze od włosa i tworzą quasi-regularną kratkę z celowo pozostawionymi nanometrowymi przerwami między sąsiednimi przewodami. Jednocześnie te szczeliny nie są defektem, bo jest to klucz do działania całej tarczy.
Kiedy w taką sieć uderza sygnał Wi-Fi lub 5G, zmienne pole elektromagnetyczne indukuje prądy w nanodrucikach i ładunki w szczelinach. Część energii jest odbijana, część rozpraszana w postaci ciepła w rezystywnej sieci, a część staje się uwięziona w lokalnych oscylacjach między przewodami zamiast przenikać dalej do elektroniki za folią. Tego rodzaju świadomie zaprojektowana niezgodność impedancji jest subtelniejsza niż postawienie przed urządzeniem grubej płyty metalowej, ale zdecydowanie lepiej pasuje do przezroczystych, giętkich podłoży.
Kluczowe jest to, że skuteczność ekranowania w tej konstrukcji nie wynika tylko z samej przewodności. Dużą rolę odgrywa rozmieszczenie przestrzenne drutów i pojemność w szczelinach. Dlatego autorzy raportują ponad tysiąckrotny wzrost skuteczności ekranowania w stosunku do podobnej ilości nanodrutów ułożonych losowo. Jednak samo precyzyjne wyrównanie nie wystarczy. Połączenia między nanodrutami są na początku słabe i mają wysoką rezystancję, częściowo przez cienkie warstwy izolujące używane podczas syntezy nanodrutów. Żeby to naprawić, zespół wprowadza drugi etap obróbki z wykorzystaniem ultrakrótkich impulsów laserowych trwających zaledwie pikosekundy.
Skalowalna produkcja w zasięgu… a przynajmniej w teorii
Jednym z najbardziej obiecujących stwierdzeń w materiałach prasowych University of Glasgow jest deklaracja, że proces nadaje się do formatów większych niż laboratoryjne próbki. Zespół informuje, że udało się wytworzyć folie o rozmiarach do około 40 na 80 centymetrów na podłożach polimerowych, z wykorzystaniem metod, które w zasadzie można przystosować do produkcji masowej. Z kolei samo wyrównywanie i-DEP jest kompatybilne z przetwarzaniem roztworowym i wzorcowanymi elektrodami, a bezkontaktowa obróbka laserowa może być realizowana za pomocą skanującej optyki, którą przemysł już wykorzystuje do wyżarzania, wzorcowania czy lokalnego grzania w liniach produkcyjnych wyświetlaczy. Nie oznacza to automatycznie, że proces będzie tani i prosty. Układy z ultrakrótkimi laserami wciąż należą do drogich urządzeń, a utrzymanie jednorodności na szerokich taśmach jest sporym wyzwaniem. Autorzy przedstawiają jednak tę technologię jako platformę możliwą do rozwijania i adaptacji, a nie jednorazową laboratoryjną ciekawostkę.
Czytaj też: To, co uważano za wadę, stało się supermocą. Rewolucja w tranzystorach zmieni naszą elektronikę
Jeśli technologia dojrzeje poza laboratorium, to najbardziej oczywiste zastosowania pojawią się tam, gdzie kluczowe są jednocześnie przezroczystość, elastyczność i kontrola EMI. W medycznych urządzeniach do noszenia taka ultracienka, przezroczysta tarcza mogłaby znaleźć się między elastyczną anteną a światem zewnętrznym, ograniczając przesłuchy w zatłoczonym radiowo środowisku szpitalnym bez zasłaniania wskaźników wizualnych czy usztywniania całej konstrukcji. Możliwość dowolnego kształtowania ścieżek nanodrutów otwiera też drogę do przezroczystych struktur selektywnych polaryzacyjnie, które różnie tłumią zakłócenia w zależności od orientacji pola. W elektronice konsumenckiej takie przezroczyste osłony EMI mogłyby być laminowane na zewnętrzną warstwę składanych wyświetlaczy, wizjerów AR i VR, szyb samochodowych z wbudowanymi wyświetlaczami oraz inteligentnych okien z antenami dla sieci 5G i przyszłych 6G.