Film di MXene: Lo Scudo Invisibile Ultra-Sottile Contro Onde e Calore!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che sembra uscito da un film di fantascienza, ma è scienza purissima e incredibilmente promettente. Viviamo immersi in un mare di onde elettromagnetiche: dai segnali Wi-Fi ai radar, fino alle microonde. E poi c’è il calore, la radiazione infrarossa che ogni oggetto emette. Per molte applicazioni, specialmente in campo aerospaziale o per la sicurezza, è fondamentale poter “nascondere” equipaggiamenti da questi segnali, rendendoli invisibili o schermandoli. Il problema? Farlo su un’ampia gamma di frequenze (dalle microonde all’infrarosso) di solito richiede complessi strati di materiali diversi. Una vera sfida!

Un Nuovo Super Materiale all’Orizzonte?

Ma se vi dicessi che forse abbiamo trovato un candidato quasi magico, un materiale capace di fare tutto questo da solo? Sto parlando dei film di MXene. Gli MXene (pronunciateli come volete, io dico “mix-in”) sono una famiglia di materiali bidimensionali, sottilissimi come un foglio di carta ma con proprietà straordinarie. In particolare, il carburo di titanio (Ti3C2Tx) MXene è noto per la sua alta conducibilità elettrica e la sua capacità di assorbire e schermare le onde elettromagnetiche. Non solo, ha anche una bassa emissività infrarossa, il che significa che “brilla” poco se visto con una termocamera.

Il vero “trucco” di cui vi parlo oggi, però, non è solo il materiale in sé, ma come siamo riusciti a organizzarlo. Immaginate questi MXene come minuscoli foglietti. Se li mettiamo insieme a caso, otteniamo già buoni risultati. Ma se riusciamo ad allinearli perfettamente, come tegole su un tetto, e a compattarli al massimo, le loro prestazioni schizzano alle stelle!

La Magia della Centrifugazione a Spruzzo

Ed è qui che entra in gioco una tecnica geniale: la centrifugazione continua a spruzzo. Sembra complicato, ma l’idea è affascinante. Prendiamo una dispersione liquida di questi nanofogli di MXene e la spruzziamo continuamente sulla parete interna di un tubo che ruota ad alta velocità. Cosa succede?

• La forza centrifuga schiaccia i foglietti uno contro l’altro, compattandoli incredibilmente.
• La differenza di velocità tra il tubo rotante e il liquido spruzzato genera una forza di taglio che allinea i foglietti in modo quasi perfetto lungo la direzione del flusso.

Il risultato? Otteniamo film di MXene estremamente compatti, con i nanofogli perfettamente allineati, e possiamo controllare lo spessore semplicemente decidendo quante volte spruzzare (abbiamo chiamato i film MX-n, dove ‘n’ è il numero di spruzzate). Questi film sono uniformi, possono essere depositati su vari substrati flessibili (come la plastica PET o persino la carta!) e raggiungono dimensioni notevoli (fino a 31.4 x 3.0 cm² nel nostro studio).

Abbiamo verificato con tecniche avanzate (come la microscopia elettronica SEM e FIB-SEM, la diffrazione a raggi X XRD e WAXS) che questi film sono davvero densi, quasi senza spazi vuoti, e altamente ordinati. Aumentando la velocità di rotazione (fino a 3000 giri al minuto!), la compattazione e l’allineamento migliorano ulteriormente, portando la conducibilità elettrica a valori altissimi: 1.03 milioni di Siemens per metro (1.03 × 10^6 S m⁻¹)! Pensate che è una conducibilità paragonabile a quella di alcuni metalli, ma in un film sottilissimo e potenzialmente flessibile. E non è tutto: questi film mostrano anche un’ottima resistenza all’ossidazione all’aria.

Scudo Elettromagnetico da Record: Dalle Microonde ai Terahertz

Ma veniamo al dunque: come si comportano questi film come scudi contro le interferenze elettromagnetiche (EMI)? In una parola: spettacolarmente. Abbiamo testato film con spessori diversi. Un film MX-80, spesso appena 2.25 micrometri (millesimi di millimetro!), ha mostrato un’efficacia di schermatura (EMI SE) media di 45 dB nella banda dei gigahertz (GHz, da 8.2 a 40 GHz) e addirittura 59 dB nella banda dei terahertz (THz, da 0.2 a 1.6 THz).

Cosa significano questi numeri? Un valore di 30 dB significa che il 99.9% dell’onda incidente viene bloccata. 40 dB significa 99.99%, 50 dB significa 99.999%, e così via. Quindi, stiamo parlando di una schermatura estremamente efficace su una banda di frequenze incredibilmente ampia (ultra-broadband)! Il meccanismo principale è la riflessione delle onde (dovuta all’alta conducibilità), ma anche l’assorbimento contribuisce.

Ma il dato forse più impressionante è l’efficacia di schermatura specifica normalizzata per lo spessore (SSE/t). Questo parametro tiene conto dell’efficacia (SE), della densità del materiale (ρ) e dello spessore (t), dandoci un’idea di quanto sia performante lo scudo a parità di peso e ingombro. Bene, i nostri film di MXene hanno raggiunto un valore SSE/t di 1.545 × 10^6 dB cm² g⁻¹ nella banda THz. Lasciatemi dire che questo è il valore più alto mai riportato in letteratura per film di schermatura! Specialmente i film più sottili (MX-1, spessi solo 25 nanometri!) mostrano valori SE/t (efficacia per unità di spessore) sbalorditivi, fino a 400 dB/µm nei GHz e 500 dB/µm nei THz. In pratica, abbiamo uno scudo potentissimo e leggerissimo.

Invisibili al Calore: La Magia dello Stealth Infrarosso

Passiamo all’altra capacità incredibile: lo stealth infrarosso (IR). Ogni oggetto sopra lo zero assoluto emette radiazione termica. I visori notturni e i sensori termici rilevano proprio questa radiazione per “vedere” al buio o identificare fonti di calore. Per nascondersi da questi sensori, un materiale deve avere una bassa emissività infrarossa, cioè deve irradiare pochissimo calore rispetto all’ambiente circostante, anche se è caldo.

I nostri film di MXene si comportano magnificamente anche qui. Hanno mostrato una riflettività infrarossa molto alta (tra l’85% e il 90%), simile a quella dei metalli lucidi. Di conseguenza, la loro emissività infrarossa è bassissima, circa 0.1 su un’ampia gamma di lunghezze d’onda IR (2.5–16.0 µm). Un valore di 0.1 significa che irradiano solo il 10% del calore che irradierebbe un corpo nero perfetto alla stessa temperatura.

Abbiamo fatto delle prove pratiche: mettendo un film MX-80 su piastre riscaldate a 50, 100 e persino 150 °C, nelle immagini termiche l’area coperta dal film appariva molto più fredda, quasi indistinguibile dallo sfondo a temperatura ambiente. Lo stesso effetto si ottiene coprendo parzialmente una mano calda: la parte coperta scompare quasi nell’immagine IR. Ancora più importante, abbiamo testato i film all’aperto, sia di giorno che di notte, su diverse superfici come erba e cemento. In tutti i casi, il film ha dimostrato eccellenti capacità di mimetizzazione infrarossa, adattandosi bene alle diverse condizioni ambientali. Questo apre scenari incredibili per applicazioni stealth in qualsiasi condizione operativa.

Non Solo Scudo: Un Materiale Riscaldante Efficiente

Ma le sorprese non finiscono qui! Grazie alla loro altissima conducibilità elettrica, questi film di MXene sono anche degli ottimi riscaldatori elettrici per effetto Joule. Applicando una piccola tensione elettrica ai capi del film, questo si scalda rapidamente e uniformemente. Con solo 1.0 Volt, un film MX-80 raggiunge una temperatura di saturazione di oltre 120 °C, con una velocità di riscaldamento notevole (4.4 °C al secondo).

Questo riscaldamento è stabile, lineare (la temperatura aumenta proporzionalmente al quadrato della tensione, come previsto dalla legge di Joule) e funziona anche se il film è piegato. Abbiamo verificato che può mantenere una temperatura costante (es. 90 °C con 0.8 V) per almeno un’ora e che risponde perfettamente a cicli ripetuti di accensione e spegnimento.

Una delle applicazioni più interessanti è lo sbrinamento. Abbiamo messo uno strato di ghiaccio sopra un film MX-80 (protetto da un foglio di PET trasparente) e applicato una tensione. In pochi minuti, il ghiaccio sopra l’area attiva del film si è sciolto completamente, mentre quello attorno è rimasto intatto. Questo dimostra il potenziale enorme di questi film per sistemi di sbrinamento leggeri ed efficienti, magari per ali di aerei, sensori esterni o parabrezza.

Conclusioni: Il Futuro è (Quasi) Qui?

Quindi, ricapitolando: abbiamo sviluppato un metodo per creare film di MXene super compatti e allineati. Questi film, anche se sottilissimi, offrono:

• Una schermatura EMI eccezionale su bande larghissime (GHz e THz), con efficienza specifica da record.
• Una bassissima emissività infrarossa, perfetta per applicazioni stealth in ogni condizione.
• Prestazioni elettrotermiche efficienti per riscaldamento e sbrinamento.

Il tutto con un singolo materiale! Questa è forse la cosa più rivoluzionaria: la possibilità di proteggere equipaggiamenti sensibili da interferenze elettromagnetiche multispettrali e dal rilevamento infrarosso usando un unico strato sottile e leggero. Le potenziali applicazioni in campo militare, aerospaziale e civile sono immense. Certo, c’è ancora strada da fare per la produzione su larga scala e l’integrazione in sistemi complessi, ma la direzione è tracciata ed è incredibilmente eccitante. Stiamo davvero entrando nell’era dei materiali multifunzionali intelligenti!

Fonte: Springer