پژوهشگران مؤسسه علوم و فناوری مواد کره (KIMS) با همکاری گروه‌هایی از مؤسسه علم و فناوری کره (KIST)، فیلمی کامپوزیتی با ضخامت بسیار کم توسعه داده‌اند که سه ویژگی مهم را در یک ساختار واحد جمع می‌کند: محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی (Electromagnetic Interference Shielding؛ EMI)، استتار فروسرخ (Infrared Stealth؛ IR) و استحکام مکانیکی بالا. این پژوهش به سرپرستی ته‌هون کیم (Taehoon Kim) از بخش مواد کامپوزیتی و همگرا در KIMS و با همکاری گروه‌های سئون جون کیم (Seon Joon Kim) و جائوو کیم (Jaewoo Kim) از KIST انجام شده است.
نتایج این پژوهش در مجله Advanced Composites and Hybrid Materials با عنوان «MXene به‌عنوان ملات رسانا: مونتاژ Ti₃C₂Tₓ و الیاف نانولوله کربنی در فیلم‌های چندمنظوره برای محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی و استتار فروسرخ» منتشر شده است.
ایده اصلی پژوهش، ترکیب دو ماده نانوساختار با ویژگی‌های متفاوت، یعنی الیاف نانولوله کربنی (Carbon Nanotube Fibers؛ CNT) و MXene، در ساختاری شبیه معماری «آجر و ملات» است. این ساختار به پژوهشگران اجازه داده است نقاط قوت هر دو ماده را در کنار یکدیگر قرار دهند و بخشی از محدودیت‌های آن‌ها را کاهش دهند. نتیجه، فیلمی سبک و انعطاف‌پذیر است که در کنار قابلیت جذب و بازتاب مؤثر امواج الکترومغناطیسی، انتشار فروسرخ سطح را نیز کاهش می‌دهد.
نیاز به چنین موادی با گسترش سامانه‌های الکترونیکی پیشرفته و تجهیزات دفاعی افزایش یافته است. بسیاری از تجهیزات مدرن باید هم در برابر تداخل الکترومغناطیسی محافظت شوند و هم از دید سامانه‌های آشکارسازی فروسرخ کمتر قابل‌شناسایی باشند. مواد فلزی که به‌طور سنتی برای محافظت الکترومغناطیسی به‌کار می‌روند، اگرچه عملکرد مناسبی دارند، معمولاً وزن بالایی دارند، در برابر خوردگی آسیب‌پذیرند و انعطاف‌پذیری محدودی دارند.
الیاف نانولوله کربنی می‌توانند جایگزینی سبک و مستحکم برای این مواد باشند. این الیاف علاوه بر وزن کم، استحکام مکانیکی بالایی دارند و می‌توانند عملکرد مناسبی در محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی ارائه دهند. بااین‌حال، ساختار الیافی آن‌ها اتصال و تبدیل به فیلم‌های بزرگ‌مقیاس را دشوار می‌کند. افزون بر این، انتشار نسبتاً زیاد تابش فروسرخ از سطح CNT می‌تواند کاربرد آن‌ها را در سامانه‌های استتار فروسرخ محدود کند.
در مقابل، MXene به دلیل انتشار پایین فروسرخ، گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای استتاری به‌شمار می‌رود؛ اما استحکام مکانیکی پایین‌تر و پایداری بلندمدت محدودتر آن، مانعی برای استفاده گسترده از این ماده بوده است. بنابراین، چالش اصلی پژوهشگران، ساخت ماده‌ای بود که بتواند به‌صورت هم‌زمان محافظت الکترومغناطیسی، کاهش انتشار فروسرخ و استحکام مکانیکی بالا را فراهم کند.
برای حل این مسئله، پژوهشگران ابتدا سطح الیاف CNT را با گروه‌های آمینی اصلاح کردند تا برهم‌کنش و اتصال آن‌ها با MXene افزایش یابد. سپس الیاف به‌صورت پیوسته از محلول MXene عبور داده شدند و در کنار یکدیگر پیچیده شدند تا فیلم کامپوزیتی شکل بگیرد. در ساختار نهایی، الیاف هم‌راستای CNT نقش «آجرهای» سازه را ایفا می‌کنند و MXene فضاهای میان آن‌ها را پر کرده و مانند «ملات رسانا» عمل می‌کند.
این معماری چند مزیت هم‌زمان ایجاد می‌کند. قرارگیری MXene در میان الیاف CNT، لغزش بین الیاف را کاهش می‌دهد و در نتیجه استحکام مکانیکی فیلم افزایش می‌یابد. از سوی دیگر، حضور پیوسته MXene در ساختار، مسیرهای رسانای الکتریکی ایجاد می‌کند که انتقال و اتلاف انرژی امواج الکترومغناطیسی را بهبود می‌دهد. پوشش MXene در سطح فیلم نیز انتشار تابش فروسرخ را کاهش می‌دهد و در نتیجه قابلیت مشاهده آن در سامانه‌های آشکارسازی فروسرخ، از جمله دوربین‌های حرارتی، کمتر می‌شود.
عملکرد به‌دست‌آمده برای فیلم جدید قابل‌توجه است. ضخامت این ماده تنها ۱۷٫۵ میکرومتر است؛ یعنی حدود یک‌پنجم ضخامت موی انسان. با وجود این ضخامت بسیار کم، فیلم توانسته است به اثربخشی محافظت الکترومغناطیسی حدود ۹۰ دسی‌بل دست یابد. بر اساس نتایج گزارش‌شده، این میزان عملکرد به معنای جلوگیری از عبور بیش از ۹۹٫۹۹۹۹۹۹۹ درصد از امواج الکترومغناطیسی ورودی در محدوده‌های فرکانسی مورد استفاده در ارتباطات و رادار است.
فیلم جدید از نظر استحکام کششی نیز عملکرد قابل‌توجهی نشان داده و استحکام کششی آن به ۱٫۰۲ گیگاپاسکال (GPa) رسیده است؛ رقمی که نشان‌دهنده استحکام مکانیکی بالا و قابل‌مقایسه با برخی فولادهای پرمقاومت است. افزون بر این، فیلم توانسته است انتشار فروسرخ را به‌طور مؤثر کاهش دهد و در شرایط دمایی و رطوبتی بالا و همچنین پس از تغییر شکل مکانیکی مکرر، پایداری مناسبی داشته باشد. این عملکرد در مقایسه با فیلم‌های متداول MXene بهبود یافته است.
ترکیب وزن کم، ضخامت بسیار پایین، انعطاف‌پذیری، استحکام بالا و عملکرد دوگانه در برابر تهدیدهای الکترومغناطیسی و فروسرخ، دامنه کاربردهای بالقوه این ماده را گسترده می‌کند. در حوزه دفاعی، چنین فیلمی می‌تواند برای افزایش بقاپذیری هواپیماهای جنگنده، هواپیماهای بدون سرنشین و پهپادها و همچنین محافظت از تجهیزات الکترونیکی هوافضایی مورد توجه قرار گیرد. کاهش انتشار فروسرخ می‌تواند آشکارسازی حرارتی را دشوارتر کند و قابلیت محافظت الکترومغناطیسی نیز از تجهیزات در برابر تداخل‌های ناخواسته محافظت خواهد کرد.
این فیلم انعطاف‌پذیر در حوزه الکترونیک نیز کاربردهای بالقوه‌ای دارد. تجهیزات ارتباطی نسل پنجم و ششم، پوشیدنی‌های الکترونیکی و محصولات انعطاف‌پذیر و تاشو از جمله زمینه‌هایی هستند که در آن‌ها استفاده از مواد سبک و انعطاف‌پذیر برای کنترل تداخل الکترومغناطیسی اهمیت دارد. در چنین کاربردهایی، کاهش ضخامت و وزن ماده می‌تواند مزیتی مهم نسبت به سپرهای فلزی متداول باشد.
یکی دیگر از نکات مهم این فناوری، امکان سازگاری آن با فرایند ساخت پیوسته است؛ ویژگی‌ای که می‌تواند مسیر تولید فیلم‌های بزرگ‌سطح را در آینده هموار کند. پژوهشگران در حال ثبت اختراع فناوری اصلی هستند و قصد دارند در مراحل بعدی، تولید فیلم در ابعاد بزرگ‌تر و یکپارچه‌سازی آن با قطعات واقعی را بررسی کنند. همچنین دو فرایند انتقال فناوری مرتبط با تولید الیاف CNT، که یکی از فناوری‌های کلیدی مورد استفاده در این پژوهش است، در حال انجام است.
ته‌هون کیم، پژوهشگر اصلی این پروژه در KIMS، درباره ایده محوری این فناوری می‌گوید ترکیب نانوموادی با ویژگی‌های متفاوت در قالب ساختاری مشابه آجر و ملات، امکان حفظ نقاط قوت هر ماده و جبران بخشی از ضعف‌های آن‌ها را فراهم کرده است. به گفته او، انتظار می‌رود این ماده چندمنظوره علاوه بر سامانه‌های دفاعی و فناوری‌های هوافضایی آینده، در کاهش مشکلات ناشی از تداخل الکترومغناطیسی در تجهیزات ارتباطی نسل آینده و تجهیزات الکترونیکی پوشیدنی نیز کاربرد پیدا کند.
این دستاورد در حال حاضر در مرحله توسعه و بررسی برای کاربردهای عملی قرار دارد و گام‌های بعدی پژوهش بر افزایش مقیاس تولید و آزمایش فیلم در قطعات و سامانه‌های واقعی متمرکز خواهد بود.