科學(xué)家利用電場(chǎng)和激光技術(shù)，為下一代電子可穿戴設(shè)備制造出透明的電磁干擾屏蔽層。

我們生活在一片無(wú)形的信號(hào)風(fēng)暴中。手機(jī)、Wi-Fi路由器、5G網(wǎng)絡(luò)、智能手表和醫(yī)療傳感器不斷收發(fā)電磁波。雖然這種無(wú)線通信支撐著現(xiàn)代科技，但也帶來(lái)了嚴(yán)重的副作用——電磁干擾（EMI）。這些多余信號(hào)可能干擾精密電子設(shè)備，尤其是醫(yī)療設(shè)備、可穿戴傳感器和柔性顯示屏等不容出錯(cuò)的領(lǐng)域。

此前，屏蔽此類干擾需要依賴厚重、剛性且不透明的金屬層，這使得它們無(wú)法適用于透明或可彎曲的電子產(chǎn)品。然而，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)近日展示了一項(xiàng)獨(dú)特解決方案：一種超薄、柔性、透明的薄膜，能阻擋幾乎所有不必要的電磁輻射，同時(shí)保持輕盈、透明且適合實(shí)際應(yīng)用的可擴(kuò)展性。

研究負(fù)責(zé)人張俊剛表示：“這是首次有人突破金屬納米線網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)電性與光學(xué)透明度長(zhǎng)期存在的權(quán)衡關(guān)系。經(jīng)過(guò)我們的激光后處理，導(dǎo)電性和透明度同時(shí)得到了提升。”

用納米線制造透明電磁屏蔽層

該領(lǐng)域最大的挑戰(zhàn)始終在于一個(gè)頑固的權(quán)衡問(wèn)題：導(dǎo)電性好的材料通常不透光，而透明材料往往導(dǎo)電性差。金屬納米線看似前景廣闊，但當(dāng)它們隨機(jī)排列時(shí)，無(wú)法提供強(qiáng)效屏蔽。

格拉斯哥大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精準(zhǔn)控制納米線在納米尺度上的位置和連接方式解決了這一難題。他們使用的銀納米線比人類頭發(fā)細(xì)數(shù)千倍。研究人員沒(méi)有讓這些納米線隨機(jī)散布在表面，而是采用了一種稱為“界面介電泳”的方法。簡(jiǎn)而言之，他們施加了精心設(shè)計(jì)的電場(chǎng)，將納米線輕柔地拉拽成整齊、有序的圖案，并將其固定在柔性透明塑料薄膜上。

這種方法實(shí)現(xiàn)了非凡的控制精度。納米線可以在不斷裂排列的情況下彎曲、扭轉(zhuǎn)和改變方向。為了展示這種精度，團(tuán)隊(duì)甚至將納米線排列成薄膜上可識(shí)別的字母圖案。關(guān)鍵的是，這些納米線相互靠近排列但并未熔合，其間仍留有微小間隙，形成了一個(gè)充滿納米級(jí)空間的網(wǎng)絡(luò)。這些間隙后來(lái)被證明至關(guān)重要。

當(dāng)電磁波撞擊薄膜時(shí)，這些間隙就像微觀的能量緩沖器，在信號(hào)到達(dá)受保護(hù)的電子設(shè)備前將其削弱。這種被稱為“電容耦合納米線網(wǎng)絡(luò)”的結(jié)構(gòu)，在不阻擋光線的情況下顯著提升了屏蔽性能。

在第二階段，研究人員將排列好的納米線暴露在僅持續(xù)皮秒的極短激光脈沖下。這些激光脈沖將納米線在接觸點(diǎn)焊接在一起，形成了強(qiáng)大的導(dǎo)電路徑。同時(shí)，激光去除了納米線制造過(guò)程中殘留的絕緣表層。這一激光處理步驟帶來(lái)了罕見(jiàn)的雙重好處：電阻降低了46倍，意味著電流可以更順暢地通過(guò)；令人驚訝的是，由于激光清潔了納米線表面，透明度也提高了10%。這是金屬納米線薄膜首次實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性和透明度的同步提升。

測(cè)試顯示，最終材料能阻擋超過(guò)99.97%的電磁輻射，在2.2至6吉赫茲頻率范圍內(nèi)（涵蓋常見(jiàn)Wi-Fi和5G頻段）屏蔽效能超過(guò)35分貝。盡管屏蔽效能強(qiáng)大，該薄膜仍保持83%的透明度，厚度僅為5.1微米——比人類頭發(fā)還薄。

該研究的作者之一、格拉斯哥大學(xué)教授哈迪·海達(dá)里表示：“我們使用該技術(shù)創(chuàng)造的材料，其電磁干擾屏蔽性能首次比未對(duì)齊的納米線提高了一千倍以上。這一進(jìn)步有望促成多種未來(lái)柔性及可植入設(shè)備的誕生?！?/p>

優(yōu)質(zhì)屏蔽的意義

這項(xiàng)工作消除了未來(lái)電子設(shè)備設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要障礙。必須彎曲、拉伸或置于人體內(nèi)部的設(shè)備，現(xiàn)在可以在不添加笨重金屬層的情況下免受電磁噪聲干擾。

張俊剛表示：“對(duì)于柔性顯示屏、可穿戴設(shè)備和植入式醫(yī)療技術(shù)而言，這種屏蔽能力與高透明度相結(jié)合至關(guān)重要。它能在阻擋有害電磁噪聲的同時(shí)，確保實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)所需的高純度信號(hào)傳輸。”

此外，與傳統(tǒng)成本高昂且尺寸受限的潔凈室制造工藝不同，該方法可擴(kuò)展至大面積應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)已成功制造出40×80厘米的薄膜，表明工業(yè)化生產(chǎn)是可行的。不過(guò)，該材料在長(zhǎng)期使用及生物環(huán)境中的表現(xiàn)仍有待觀察。

該研究已發(fā)表在《ACS納米》期刊上。

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