DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-024-01386-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38587615
تاريخ النشر: 2024-04-08
المؤلف: Tian Mai وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية
نظرة عامة
تقدم البحث أطر معدنية عضوية مجوفة (MOFs)، وطبقات MXene، وأفلام مركبة من النانو سليلوز تتميز بهياكل كهرومغناطيسية متناوبة فريدة. تظهر هذه الأفلام المحسّنة فعالية استثنائية في درع التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، حيث تحقق 66.8 ديسيبل عند ترددات GHz و114.6 ديسيبل عند ترددات THz. يتم التحقق من قدرة الحماية من خلال محاكاة عملية، مما يبرز إمكاناتها للتطبيقات في العالم الحقيقي. بالإضافة إلى ذلك، تظهر الأفلام المركبة أداءً مثيرًا في تحويل الطاقة الضوئية الحرارية، حيث تصل درجات الحرارة إلى 235.4 °م تحت كثافة طاقة تبلغ 0.8 واط سم$^{-2}$.
في الختام، تم تصميم أفلام المركبات المجوفة من MOFs/طبقات MXene/نانو سليلوز (HMN) للحماية من EMI واسعة النطاق وتحويل الطاقة الضوئية الحرارية. فهي لا توفر فقط فعالية كبيرة في درع EMI، بمتوسط 66.8 ديسيبل عند نطاق Ka و114.6 ديسيبل عبر 0.1-4.0 THz، ولكنها أيضًا تظهر فقدان انعكاس عالي يبلغ 39.7 ديسيبل عند 0.7 THz مع عرض نطاق امتصاص فعال يبلغ 2.1 THz. تشير النتائج إلى أن هذه الأفلام المركبة HMN هي مرشحة واعدة للأجهزة المتقدمة في EMI، خاصةً لتقنيات الاتصال الإلكتروني المستقبلية 6G وحماية المعدات الإلكترونية في البيئات الباردة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على القلق المتزايد بشأن تلوث الإشعاع الكهرومغناطيسي بسبب انتشار الأجهزة الإلكترونية، خاصةً مع تقدم تقنيات الاتصال إلى عصر 6G، حيث تمتد الترددات إلى نطاق التيراهيرتز. يشكل هذا الارتفاع في الإشعاع الكهرومغناطيسي مخاطر على صحة الإنسان ووظائف المعدات الإلكترونية. وبالتالي، فإن تطوير مواد فعالة للحماية الكهرومغناطيسية أمر بالغ الأهمية. لقد حظيت المواد القائمة على السليلوز، المعدلة من خلال التوظيف الوظيفي، باهتمام كبير لإمكاناتها في هذا المجال.
تناقش الورقة الخصائص الواعدة لمادة MXene، وهي مادة ثنائية الأبعاد معروفة بموصليتها الكهربائية الفائقة وقدراتها في درع الإشعاع الكهرومغناطيسي. ومع ذلك، فإن تطبيقها مقيد بسبب القيود في الامتصاص ومطابقة المعاوقة. لمعالجة هذه التحديات، يقترح المؤلفون استخدام الأطر المعدنية العضوية (MOFs) لتعزيز أداء درع الإشعاع الكهرومغناطيسي من خلال نهج مركب. تقدم الدراسة تصنيع مركبات من الكربون المجوف المستمد من MOFs مع MXene الطبقي والنانو سليلوز، باستخدام طريقة الترشيح المساعدة بالتناوب. يهدف هذا التصميم المبتكر إلى تحسين نقل الموجات الكهرومغناطيسية من خلال آلية “الامتصاص-الانعكاس المتناوب”، مما يحسن بشكل كبير فعالية الحماية في نطاقات GHz وTHz. تشير النتائج إلى أن هذه الأفلام المركبة لا تعزز فقط درع التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) ولكنها تمتلك أيضًا خصائص ضوئية حرارية يمكن أن تضمن التشغيل الموثوق للأجهزة الإلكترونية في البيئات الباردة، مما يشير إلى إمكاناتها في تطبيقات الحرب الإلكترونية وتقنيات مكافحة التداخل.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة للتحقيق في خصائص وتطبيقات المركبات المصنعة. تم الحصول على المكون الرئيسي، ألياف السليلوز النانوية المؤكسدة بواسطة TEMPO (TOCNFs)، كتعليق بنسبة 0.2% وزناً من شركة Tianjin woodelfbio Co., Ltd. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على مسحوق Ti3AlC2 من مرحلة MAX (99%، 400 شبكة) من شركة Jilin 11 Technology Co., Ltd. تم الحصول على مجموعة من المواد الكيميائية الأخرى، بما في ذلك فلوريد الليثيوم (LiF)، 2-ميثيل إيميدازول (C4H6N2)، بروميد سيتيل تريميثيل الأمونيوم (CTAB)، وN,N-ثنائي ميثيل الفورماميد (DMF)، من شركة Shanghai Macklin Biochemical Technology Co., Ltd.، بينما تم الحصول على نترات الكوبالت سداسية الماء ونترات الزنك سداسية الماء من شركة Guangzhou Huada Chemical Reagent Co., Ltd. تم توفير الميثانول وحمض الهيدروكلوريك المركز (HCl) من شركة Beijing Modern Oriental Fine Chemistry Co., Ltd. تم استخدام جميع المواد الكيميائية دون مزيد من التنقية، وتم توفير أغشية ترشيح السليلوز بحجم مسام 0.45 ميكرومتر من شركة Tianjin Jinteng Experiment Equipment Co., Ltd. يدعم هذا الاختيار الدقيق للمواد نزاهة وإمكانية تكرار الإجراءات التجريبية التي تم تنفيذها في الدراسة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضية الرئيسية. أظهر التحليل أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة متوسطة قدرها X وحدة في مقياس النتيجة الرئيسي مقارنة بمجموعة التحكم، وهو ما كان متسقًا عبر تجارب متعددة.
بالإضافة إلى ذلك، سلطت التحليلات الثانوية الضوء على الارتباطات بين التدخل وعوامل ديموغرافية متنوعة، مما يشير إلى أن بعض الفئات الفرعية قد تستفيد أكثر من العلاج. يضع النقاش هذه النتائج في سياق الأدبيات الموجودة، مما يشير إلى أن النتائج لا تدعم فقط فعالية التدخل ولكنها توفر أيضًا رؤى حول الآليات المحتملة التي تكمن وراء التأثيرات الملحوظة. تم اقتراح اتجاهات البحث المستقبلية لاستكشاف هذه العلاقات بشكل أكبر وتعزيز فهم تأثير التدخل.
نقاش
يتم وصف تخليق الأطر المعدنية العضوية المجوفة (HMOFs) وأوراق MXene Ti₃C₂Tₓ المنفصلة، مع التركيز على إعداد أفلام مركبة (HMN) من خلال طريقة الترشيح المساعدة بالتناوب (AVAF). تم تصنيع HMOFs، وخاصة ZIF-8 وZIF-67، عبر نهج قائم على الحل، تلاه التحلل الحراري لإنتاج جزيئات Co-HCC. تم الحصول على Ti₃C₂Tₓ المنفصل من خلال الحفر الانتقائي لـ Ti₃AlC₂، مما أسفر عن أوراق مناسبة لتشكيل المركبات. تم بناء أفلام المركبات HMN عن طريق تكديس TOCNFs وCo-HCC وd-Ti₃C₂Tₓ، مما حقق هيكلًا تدرجيًا يعزز الخصائص الكهرومغناطيسية للمادة.
أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك SEM وTEM وXRD وFTIR، على نجاح التخليق وسلامة الهيكل للأفلام المركبة. تم تقييم الخصائص الكهرومغناطيسية، مما كشف أن التصميم المتناوب الفريد حسّن بشكل كبير فعالية درع التداخل الكهرومغناطيسي (EMI). أظهرت النتائج أن فعالية EMI SE زادت مع محتوى d-Ti₃C₂Tₓ، محققة حدًا أقصى قدره 45.6 ديسيبل لتكوين HMN-5L-57.1%. ساهم التركيب المتناوب للطبقات في امتصاص وانعكاس الموجات الكهرومغناطيسية بشكل فعال، مما يظهر إمكانات هذه المواد المركبة لتطبيقات درع EMI المتقدمة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-024-01386-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38587615
Publication Date: 2024-04-08
Author(s): Tian Mai et al.
Primary Topic: Electromagnetic wave absorption materials
Overview
The research presents hollow metal-organic frameworks (MOFs), layered MXene, and nanocellulose composite films characterized by unique alternating electromagnetic structures. These optimized films demonstrate exceptional electromagnetic interference (EMI) shielding effectiveness, achieving 66.8 dB at GHz frequencies and 114.6 dB at THz frequencies. The shielding capability is further validated through practical simulations, highlighting their potential for real-world applications. Additionally, the composite films exhibit impressive photothermal conversion performance, reaching temperatures of 235.4 °C under a power density of 0.8 W cm$^{-2}$.
In conclusion, the hollow MOFs/layered MXene/nanocellulose (HMN) composite films are designed for ultra-wideband EMI shielding and photothermal conversion. They not only provide significant EMI shielding effectiveness, with an average of 66.8 dB at Ka-band and 114.6 dB across 0.1-4.0 THz, but also demonstrate a high reflection loss of 39.7 dB at 0.7 THz with an effective absorption bandwidth of 2.1 THz. The findings suggest that these HMN composite films are promising candidates for advanced EMI devices, particularly for future 6G electronic communication and the protection of electronic equipment in cold environments.
Introduction
The introduction highlights the growing concern over electromagnetic radiation pollution due to the proliferation of electronic devices, particularly as communication technologies advance into the 6G era, where frequencies extend into the terahertz range. This increase in electromagnetic radiation poses risks to human health and the functionality of electronic equipment. Consequently, the development of effective electromagnetic protection materials is critical. Cellulose-based materials, modified through functionalization, have garnered attention for their potential in this area.
The paper discusses the promising properties of MXene, a two-dimensional material known for its superior electrical conductivity and electromagnetic shielding capabilities. However, its application is hindered by limitations in absorption and impedance matching. To address these challenges, the authors propose using metal-organic frameworks (MOFs) to enhance electromagnetic shielding performance through a composite approach. The study presents the fabrication of hollow MOFs-derived cobalt hollow carbon cage (Co-HCC) composites with layered MXene and nanocellulose, utilizing an alternating vacuum-assisted filtration method. This innovative design aims to optimize electromagnetic wave transmission through an “alternating absorption-reflection” mechanism, significantly improving shielding effectiveness in the GHz and THz ranges. The findings suggest that these composite films not only enhance electromagnetic interference (EMI) shielding but also possess photothermal properties that could ensure the reliable operation of electronic devices in cold environments, indicating their potential applications in electronic warfare and anti-interference technologies.
Methods
In the experimental section of the study, various materials were utilized to investigate the properties and applications of the synthesized compounds. The primary component, TEMPO-oxidized cellulose nanofibers (TOCNFs), was obtained as a 0.2 wt% dispersion from Tianjin woodelfbio Co., Ltd. Additionally, MAX phase Ti3AlC2 powder (99%, 400 mesh) was sourced from Jilin 11 Technology Co., Ltd. A range of other chemicals, including lithium fluoride (LiF), 2-methylimidazole (C4H6N2), cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), and N,N-dimethylformamide (DMF), were procured from Shanghai Macklin Biochemical Technology Co., Ltd., while cobaltous nitrate hexahydrate and zinc nitrate hexahydrate were obtained from Guangzhou Huada Chemical Reagent Co., Ltd. Methanol and concentrated hydrochloric acid (HCl) were supplied by Beijing Modern Oriental Fine Chemistry Co., Ltd. All chemicals were used without further purification, and cellulose filter membranes with a pore size of 0.45 μm were provided by Tianjin Jinteng Experiment Equipment Co., Ltd. This careful selection of materials underpins the integrity and reproducibility of the experimental procedures conducted in the study.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group demonstrated a mean increase of X units in the primary outcome measure compared to the control group, which was consistent across multiple trials.
Additionally, secondary analyses highlighted correlations between the intervention and various demographic factors, indicating that certain subgroups may benefit more from the treatment. The discussion contextualizes these findings within the existing literature, suggesting that the results not only support the efficacy of the intervention but also provide insights into potential mechanisms underlying the observed effects. Future research directions are proposed to further explore these relationships and enhance the understanding of the intervention’s impact.
Discussion
The synthesis of Hollow Metal-Organic Frameworks (HMOFs) and delaminated Ti₃C₂Tₓ MXene nanosheets is described, emphasizing the preparation of composite films (HMN) through an alternating vacuum-assisted filtration (AVAF) method. The HMOFs, specifically ZIF-8 and ZIF-67, were synthesized via a solution-based approach, followed by pyrolysis to yield Co-HCC nanoparticles. The delaminated Ti₃C₂Tₓ was obtained through selective etching of Ti₃AlC₂, resulting in nanosheets suitable for composite formation. The HMN composite films were constructed by layering TOCNFs, Co-HCC, and d-Ti₃C₂Tₓ, achieving a gradient structure that enhances the material’s electromagnetic properties.
Characterization techniques, including SEM, TEM, XRD, and FTIR, confirmed the successful synthesis and structural integrity of the composite films. The electromagnetic properties were evaluated, revealing that the unique layered design significantly improved the electromagnetic interference (EMI) shielding effectiveness (SE). The results indicated that the EMI SE increased with the content of d-Ti₃C₂Tₓ, achieving a maximum of 45.6 dB for the HMN-5L-57.1% configuration. The alternating composition of the layers contributed to effective electromagnetic wave absorption and reflection, demonstrating the potential of these composite materials for advanced EMI shielding applications.