ابداع فناوری شفاف و بدون فلز برای مهار ۹۹.۹۷ درصدی سیگنال‌های بی‌سیم توسط دانشمند ایرانی

به گزارش خبرنگار دانش و فناوری خبرگزاری دانشجو، زندگی انسان مدرن در میان حجم عظیمی از سیگنال‌های نامرئی الکترومغناطیسی جریان دارد. تلفن‌های همراه، روتر‌های وای‌فای، شبکه‌های ۵G، ساعت‌های هوشمند و حسگر‌های پزشکی به‌طور مداوم در حال ارسال و دریافت این امواج هستند. هرچند این زیرساخت بی‌سیم، پایه فناوری‌های امروزی را تشکیل می‌دهد، اما پیامد ناخواسته‌ای به نام تداخل الکترومغناطیسی (EMI) نیز به همراه دارد؛ پدیده‌ای که می‌تواند عملکرد قطعات حساس الکترونیکی، به‌ویژه در تجهیزات پزشکی، حسگر‌های پوشیدنی و نمایشگر‌های انعطاف‌پذیر را مختل کند.

تا پیش از این، مهار تداخل الکترومغناطیسی مستلزم استفاده از لایه‌های ضخیم فلزی بود؛ لایه‌هایی که به دلیل وزن زیاد، سختی و عدم شفافیت، برای دستگاه‌های شفاف یا خم‌شونده کارایی نداشتند. این محدودیت، چالشی اساسی در مسیر توسعه الکترونیک نسل جدید محسوب می‌شد.

اکنون گروهی از محققان با ارائه راهکاری نوآورانه، این مانع را برطرف کرده‌اند. آنها نوار‌هایی فوق‌نازک، شفاف و انعطاف‌پذیر طراحی کرده‌اند که ضمن حفظ عبور نور، تقریباً تمام تابش‌های الکترومغناطیسی ناخواسته را مسدود می‌کند و قابلیت تولید در مقیاس صنعتی را نیز دارد.

جونگانگ ژانگ، محقق ارشد این پژوهش، با اشاره به اهمیت این دستاورد گفت: «برای نخستین بار توانسته‌ایم بر بده‌بستان دیرینه میان رسانایی الکتریکی و شفافیت نوری در شبکه‌های نانوسیم فلزی غلبه کنیم؛ به‌گونه‌ای که در فرآیند ما، هر دو ویژگی به‌طور هم‌زمان بهبود یافته‌اند.»

ساخت سپر شفاف EMI با نانوسیم‌ها

چالش اصلی در این حوزه همواره تضاد میان هدایت الکتریکی و شفافیت بوده است. موادی که رسانایی بالایی دارند، معمولاً نور را مسدود می‌کنند و مواد شفاف نیز اغلب رسانایی ضعیفی از خود نشان می‌دهند. نانوسیم‌های فلزی به‌عنوان گزینه‌ای امیدوارکننده مطرح بودند، اما در آرایش‌های تصادفی قادر به ایجاد محافظت مؤثر نبودند.

پژوهشگران این مشکل را با کنترل دقیق نحوه آرایش و اتصال نانوسیم‌ها در مقیاس نانو برطرف کردند. آنها از نانوسیم‌های نقره‌ای استفاده کردند که هزاران برابر نازک‌تر از موی انسان هستند. به‌جای پخش تصادفی این نانوسیم‌ها، از روشی موسوم به «دی‌الکتروفورز بین‌سطحی» بهره گرفتند؛ روشی که با اعمال میدان‌های الکتریکی مهندسی‌شده، نانوسیم‌ها را به‌صورت منظم و کاملاً هم‌راستا روی یک بستر پلاستیکی شفاف و انعطاف‌پذیر هدایت می‌کند.

این تکنیک امکان کنترل بی‌سابقه‌ای را فراهم کرده است؛ به‌طوری‌که نانوسیم‌ها می‌توانند خم شوند، پیچ بخورند و تغییر مسیر دهند، بدون آنکه هم‌راستایی خود را از دست بدهند. محققان برای نمایش دقت این روش، حتی نانوسیم‌ها را به شکل حروف خوانا روی نوار پلاستیکی شکل دادند.

نکته کلیدی این است که نانوسیم‌ها در فاصله‌ای بسیار نزدیک از یکدیگر قرار گرفته‌اند، اما به‌طور کامل به هم متصل نشده‌اند. این فاصله‌های نانومقیاس، شبکه‌ای با شکاف‌های ریز ایجاد می‌کند که نقش اساسی در عملکرد محافظتی دارند. هنگام برخورد امواج الکترومغناطیسی، این شکاف‌ها مانند مخازن انرژی میکروسکوپی عمل کرده و سیگنال‌ها را پیش از رسیدن به اجزای حساس الکترونیکی تضعیف می‌کنند. این ساختار که به‌عنوان «شبکه نانوسیمی با کوپل خازنی» شناخته می‌شود، بدون کاهش شفافیت، توان محافظتی را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.

تقویت ساختار با پالس‌های لیزری فوق‌سریع

در مرحله بعد، نانوسیم‌های هم‌راستا در معرض پالس‌های بسیار کوتاه لیزر قرار گرفتند که تنها چند پیکوثانیه دوام داشتند. این پالس‌ها باعث جوش خوردن نانوسیم‌ها در نقاط تماس و ایجاد مسیر‌های الکتریکی پایدار شدند. هم‌زمان، لیزر لایه‌های عایق باقی‌مانده از فرآیند ساخت نانوسیم‌ها را نیز حذف کرد.

این فرآیند دو نتیجه مهم به همراه داشت؛ مقاومت الکتریکی شبکه تا ۴۶ برابر کاهش یافت و جریان الکتریسیته بسیار روان‌تر شد. علاوه بر این، برخلاف انتظار، شفافیت نوری ماده تا ۱۰ درصد افزایش پیدا کرد؛ موضوعی که به دلیل پاک‌سازی سطح نانوسیم‌ها توسط لیزر رخ داد. این بهبود هم‌زمان رسانایی و شفافیت، پیش از این در نوار‌های نانوسیم فلزی گزارش نشده بود.

آزمایش‌ها نشان داد که ماده نهایی قادر است بیش از ۹۹.۹۷ درصد از تابش الکترومغناطیسی را در بازه فرکانسی ۲.۲ تا ۶ گیگاهرتز، شامل باند‌های رایج وای‌فای و ۵G، مسدود کند و به اثربخشی محافظتی بیش از ۳۵ دسی‌بل دست یابد. در عین حال، این لایه‌ها ۸۳ درصد شفافیت خود را حفظ کرده و ضخامت آنها تنها ۵.۱ میکرومتر است؛ نازک‌تر از موی انسان.

هادی حیدری، استاد دانشگاه گلاسگو و از نویسندگان این پژوهش، در این‌باره گفت: «عملکرد محافظتی موادی که با این روش تولید کرده‌ایم، برای نخستین بار کارایی نانوسیم‌های غیرهم‌راستا را بیش از هزار برابر افزایش می‌دهد. این پیشرفت می‌تواند راه را برای توسعه گسترده دستگاه‌های انعطاف‌پذیر و قابل کاشت در آینده هموار کند.»

گامی مهم برای الکترونیک آینده

این دستاورد، یکی از موانع اصلی طراحی تجهیزات الکترونیکی نسل جدید را از میان برداشته است. دستگاه‌هایی که نیازمند انعطاف‌پذیری بالا هستند یا درون بدن انسان قرار می‌گیرند، اکنون می‌توانند بدون استفاده از پوشش‌های فلزی ضخیم، در برابر نویز الکترومغناطیسی محافظت شوند.

به گفته ژانگ، این سطح از محافظت در کنار شفافیت بالا، برای نمایشگر‌های انعطاف‌پذیر، تجهیزات پوشیدنی و فناوری‌های پزشکی قابل کاشت حیاتی است؛ چراکه انتقال سیگنال با خلوص بالا را تضمین کرده و هم‌زمان نویز‌های مزاحم را حذف می‌کند.

از سوی دیگر، برخلاف روش‌های مرسوم مبتنی بر «اتاق تمیز» که پرهزینه و محدود از نظر ابعاد هستند، این فناوری قابلیت تولید در مقیاس بزرگ را دارد. پژوهشگران تاکنون موفق به ساخت نوار‌هایی به ابعاد ۴۰ در ۸۰ سانتی‌متر شده‌اند که امکان تولید صنعتی آن را کاملاً واقع‌بینانه نشان می‌دهد.

با این حال، عملکرد بلندمدت این ماده در محیط‌های زیستی هنوز نیازمند بررسی‌های بیشتر است.

نتایج این پژوهش در مجله معتبر ACS Nano منتشر شده است.