Compostos de nanotubos ultrafinos, extensíveis e imprimíveis em 3D podem proteger os eletrônicos contra interferência eletromagnética (EMI) e radiação de nêutrons em ambientes extremos.
Estudo: Nanotubos complementares ultrafinos, extensíveis e imprimíveis em 3D – Compostos de polímero para proteção multimodal contra radiação em ambientes extremos. Crédito da imagem: Wanut Sawangwong/Shutterstock.com
Em um estudo publicado em Materiais Avançadosos pesquisadores combinaram nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) com nanotubos de nitreto de boro (BNNTs) para criar um sistema de blindagem leve com duas funções complementares: os SWCNTs suprimem a interferência eletromagnética, enquanto os BNNTs absorvem nêutrons.
A equipe primeiro demonstrou o conceito em filmes de nanotubos híbridos ultrafinos e depois o estendeu para um compósito de polímero extensível e imprimível em 3D. O trabalho aponta um caminho promissor para materiais de blindagem em aeroespacialtecnologias nucleares, médicas e de defesa, onde a proteção convencional é muitas vezes demasiado pesada ou rígida.
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Os sistemas eletrónicos que operam no espaço, nas instalações nucleares, nos ambientes de radiação médica e nos ambientes de defesa enfrentam duas ameaças persistentes: a interferência eletromagnética e a radiação de neutrões de alta energia. Ambos podem interromper ou danificar componentes sensíveis, reduzindo a confiabilidade em condições onde a falha pode ser dispendiosa ou perigosa.
Os materiais de blindagem tradicionais, incluindo metais e concreto, podem fornecer proteção eficaz, mas são pesados, inflexíveis e pouco adequados para componentes eletrônicos leves ou deformáveis. Isso se tornou um problema crescente à medida que os dispositivos se tornam menores, mais leves e mais adaptáveis, especialmente em eletrônicos flexíveis e sistemas vestíveis.
Dois nanotubos, dois empregos
O sistema de materiais é construído em torno de dois tipos de nanotubos com resistências diferentes. SWCNTs são eletricamente condutores e eficazes na atenuação de ondas eletromagnéticas. Enquanto isso, os BNNTs contêm átomos de boro com uma seção transversal de alta absorção de nêutrons, tornando-os adequados para a blindagem de nêutrons.
Estudos anteriores examinaram amplamente esses materiais separadamente. Aqui, os pesquisadores os combinaram em um único sistema multifuncional projetado para enfrentar os dois desafios ao mesmo tempo.
Criando o materials
A equipe primeiro dispersou SWCNTs e BNNTs em solução usando surfactantes para produzir suspensões estáveis e mistura uniforme. Filmes híbridos independentes foram então feitos por filtração a vácuo, produzindo estruturas tipicamente de 10 a 20 µm de espessura.
A microscopia mostrou uma arquitetura coaxial na qual feixes SWCNT enrolados em núcleos BNNT. A espectroscopia Raman e a espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier indicaram interações de deformação entre os dois sistemas de nanotubos, enquanto o mapeamento elementar confirmou a distribuição de boro, nitrogênio e carbono em toda a estrutura híbrida.
Para fazer compósitos imprimíveis, os pesquisadores incorporaram a rede de nanotubos em uma matriz de elastômero de polidimetilsiloxano (PDMS). A tinta resultante foi processada por escrita direta com tinta, um método de impressão 3D baseado em extrusão que permite a fabricação camada por camada de geometrias complexas. Os testes reológicos mostraram que a tinta tinha as propriedades viscoelásticas necessárias para impressão.
Outras medições, incluindo testes de condutividade, análise termogravimétricae experimentos de atenuação de nêutrons foram usados para avaliar o desempenho elétrico, térmico e mecânico.
Resultados do estudo
Os filmes híbridos de nanotubos formaram uma rede densa e interconectada com forte contato interfacial e caminhos condutores contínuos. Essa estrutura apoiou o transporte de carga e sustentou o desempenho da blindagem eletromagnética do materials.
Na faixa de frequência da banda X, os filmes híbridos puros alcançaram eficácia de blindagem EMI acima de 50 dB em espessuras em escala micrométrica. A blindagem foi dominada principalmente pela absorção, e não pela reflexão: a energia foi dissipada principalmente através de perdas ôhmicas nas vias condutoras SWCNT, com a polarização interfacial desempenhando um papel secundário.
O estudo também descobriu que as redes SWCNT percoladas persistiram em uma ampla gama de composições, ajudando a preservar a blindagem EMI mesmo quando o conteúdo de BNNT period alto.
Para blindagem de nêutrons, um compósito com proporção SWCNT:BNNT de 2:8 alcançou um coeficiente de atenuação de nêutrons de cerca de 1,27 mm-1correspondendo a aproximadamente 72% de atenuação a uma espessura de 1 mm. Esse desempenho foi impulsionado principalmente pelos átomos de boro na estrutura do BNNT.
Filmes Finos e Compostos Imprimíveis
Quando a rede de nanotubos foi incorporada ao PDMS, o materials tornou-se extensível e imprimível, mantendo ao mesmo tempo um desempenho útil de blindagem. Os testes mecânicos mostraram deformações de fratura acima de 125%, e a blindagem EMI permaneceu estável através de repetidos ciclos de deformação. Os testes térmicos mostraram estabilidade estrutural desde temperaturas criogênicas próximas a -196 °C até temperaturas elevadas em torno de 250 °C.
Nesta forma de compósito polimérico, a eficácia da blindagem EMI atingiu cerca de 23 dB em espessuras submilimétricas. Isso é inferior ao desempenho relatado para os filmes de nanotubos puros, mas ainda é significativo para aplicações flexíveis onde a capacidade de impressão e a conformidade mecânica são importantes.
A arquitetura também altera o desempenho
O estudo sugere que a blindagem depende não apenas da composição, mas também da estrutura. Usando escrita direta com tinta, a equipe produziu designs geometricamente ajustáveis, incluindo treliças em forma de favo de mel. Essas arquiteturas aumentaram a atenuação eletromagnética ao promover múltiplas reflexões internas.
Os autores apresentam isto como um resultado inicial encorajador, em vez de uma otimização last, mas mostra como a fabricação aditiva pode ser usada para ajustar o desempenho da blindagem através da geometria, bem como da química dos materiais.
O panorama geral
Tomados em conjunto, os resultados descrevem uma estratégia prática para blindagem multifuncional em ambientes agressivos. Os filmes híbridos puros forneceram a mais forte combinação de blindagem EMI e de nêutrons, enquanto os compostos PDMS imprimíveis em 3D ofereceram uma versão mais flexível e orientada para a aplicação do mesmo conceito.
O significado mais amplo reside na combinação de baixo peso, durabilidade mecânica, resiliência térmica e blindagem dupla em uma única plataforma. Isso poderia tornar a abordagem útil para futuros sistemas eletrônicos que necessitam de proteção confiável em condições operacionais exigentes.
Referência do diário
Flandy, Kim, Okay., e outros. (2026). Compósitos de nanotubos-polímero ultrafinos, extensíveis e imprimíveis em 3D para proteção multimodal contra radiação em ambientes extremos. Materiais Avançadose13805. DOI: 10.1002/adma.202513805