Preparation and Microwave Absorption Properties of Graphene/Pure Ferrite Composite Absorbers

في العالم غير المرئي المحيط بنا، تحمل موجات الراديو والميكروويف مكالمات هواتفنا المحمولة، وإشارات الواي فاي، وبيانات الرادار. وبينما نعتمد على هذه الموجات للتواصل، يمكنها أيضًا أن تكون مصدر إزعاج أو خطر عندما ترتد عن الأسطح وتتسبب في حدوث تداخل، أو عندما تكشف عن موقع معدات حساسة. ولإدارة ذلك، يطور العلماء مواد خاصة مصممة لابتلاع هذه الموجات بدلاً من السماح لها بالارتداد. وغالبًا ما تحتاج المواد الأكثر فعالية إلى الموازنة بين صفتين متنافستين: القدرة على توصيل الكهرباء والقدرة على التفاعل مع المجالات المغناطيسية. فالمواد القائمة على الكربون ممتازة في توصيل الكهرباء وامتصاص الموجات من خلال الاحتكاك الكهربائي، لكنها غالبًا ما تعكس الكثير من الطاقة عند السطح قبل أن يتم امتصاصها. ومن ناحية أخرى، فإن المواد المغناطيسية رائعة في امتصاص الطاقة من خلال التفاعلات المغناطيسية، لكنها غالبًا ما تكون ثقيلة وتفتقر إلى الموصلية الكهربائية اللازمة لمجموعة واسعة من الترددات. ويكمكم التحدي في دمج هذين النوعين من المواد في مادة واحدة خفيفة الوزن يمكنها التعامل مع مجموعة متنوعة من ترددات الموجات دون عكسها بعيدًا.

لقد اتخذ باحثون في معهد لياونينغ للعلوم والتكنولوجيا في الصين خطوة نحو حل هذه المشكلة من خلال ابتكار نوع جديد من المواد المركبة التي تمزج بين الجرافين والفريت النقي. الجرافين هو شكل من أشكال الكربون المرتب في طبقة واحدة من الذرات، والمعروف بقوته وموصليته الكهربائية. أما الفريت فهو نوع من المواد السيراميكية المغناطيسية التي تتفاعل بقوة مع المجالات المغناطيسية. استخدم الفريق عملية تسمى "التخليق الحراري المائي"، والتي تتضمن تسخين خليط من الماء والمواد الكيميائية في وعاء مغلق لنمو المادة. وقد خلطوا الجرافين مع الفريت بنسب مختلفة لتحديد كيف يؤثر التوازن بين مكوني المادة على قدرتها على امتصاص موجات الميكروويف. وكان الهدف هو إيجاد وصفة محددة تعمل فيها الخصائص الكهربائية للجرافين والخصائص المغناطيسية للفريت معًا بشكل مثالي، مما يسمح للموجات بالدخول إلى المادة والوقوع في فخ داخلها بدلاً من الارتداد عن السطح.

قام الفريق بإنشاء ست عينات مختلفة، تتراوح من تلك التي تحتوي على معظم الجرافين إلى تلك التي تحتوي على معظم الفريت. وفحصوا البنية المجهرية لهذه العينات ووجدوا أن جزيئات الفريت، وهي كرات صغيرة يتراوح حجمها بين 0.1 و0.5، استقرت بشكل متساوٍ على الأسطح المتعرجة لصفائح الجرافين. هذا الترتيب منع صفائح الجرافين من التكتل وخلق شبكة واسعة من الحدود حيث تلتقي المادتان. وهذه الحدود حاسمة لأنها تعمل كمواقع يمكن للشحنات الكهربائية أن تتراكم فيها وتطلق الطاقة على شكل حرارة. ومع زيادة كمية الفريت في الخليط، زادت قدرة المادة على التفاعل مع المجالات المغناطيسية، بينما انخفضت موصليتها الكهربائية قليلاً. وكان هذا التحول هو بالضبط ما كان مطلوبًا لتحسين الأداء العام للمادة.

عندما اختبر الباحثون مدى جودة امتصاص هذه المواد للموجات الدقيقة (الميكروويف)، اكتشفوا أن العينة التي تحتوي على أعلى كمية من الفريت كانت الأفضل أداءً. هذه الخلطة المحددة، التي تحتوي على جزء واحد من الجرافين مقابل ثلاثة أجزاء من الفريت، حققت ذروة أدائها عند سمك 3 مليمترات. وعند تردد 11.8 جيجاهرتز، امتصت هذه العينة الكثير من الطاقة لدرجة أن جزءًا ضئيلًا جدًا فقط من الموجة انعكس، مسجلة فقدان انعكاس قدره -23.8 ديسيبل. ولوضع ذلك في السياق، فإن فقدان الانعكاس بمقدار -10 ديسيبل هو المعيار المرجعي لممتص جيد، مما يعني أنه يمتص 90 بالمائة من الموجة القادمة. لقد تجاوزت هذه المادة الجديدة ذلك المعيار بكثير، حيث امتصت أكثر من 99 بالمائة من الموجة عند تردد ذروتها. علاوة على ذلك، حافظت على هذا المستوى العالي من الامتصاص عبر نطاق واسع من الترددات، مغطيةً مدى قدره 3.7 جيجاهرتز، وهو عرض كبير لمادة واحدة.

إن نجاح هذه المادة يأتي من التوازن الدقيق بين كيفية تعاملها مع الكهرباء والمغناطيسية. يوفر الجرافين مسارًا لتدفق التيارات الكهربائية، مما يخلق احتكاكًا يحول طاقة الموجة إلى حرارة. وتتفاعل جزيئات الفريت مع الجزء المغناطيسي من الموجة، مما يخلق نوعًا آخر من الاحتكاك الذي يولد الحرارة أيضًا. وعندما تعمل هاتان الآليتان معًا، فإنهما تسمحان للموجة بالدخول إلى المادة بسهولة دون الارتداد عن السطح، ثم تبديد طاقتها بسرعة أثناء انتقالها عبرها. لاحظ الباحثون أن العيوب والشوائب في سطح الجرافين والفريت لعبت دورًا أيضًا، حيث عملت كفخاخ إضافية للموجات. ومن خلال ضبط نسبة المكونين بعناية، تمكن الفريق من إنشاء مادة خفيفة الوزن وعالية الكفاءة في آن واحد، مما يوفر مسارًا واعدًا لتطوير طلاءات التخفي والدرع الكهرومغناطيسي الأفضل.