Structural, magnetic, optical, and microwave absorption properties of Fe0.67Co0.33/CoCexFe2-xO4 (х=0.0, 0.1, 0.2, 0.3) composites

في عالم علم المواد الحديث، غالبًا ما يتطلع الباحثون إلى بلورات متناهية الصغر تسمى "الفريتات" لحل مشكلات كبيرة. هذه معادن مغناطيسية يمكن ضبطها لتتفاعل مع الضوء، والكهرباء، والموجات غير المرئية التي تحمل إشاراتنا اللاسلكية. ومن بينها، يعد "فيريت الكوبالت" مادة متعددة الاستخدامات بشكل خاص، وتشتهر بجذبها المغناطيسي القوي واستقرارها. لطال sea العلماء أنهم من خلال استبدال بعض الذرات داخل هذه البلورات بذرات أخرى مختلفة، يمكنهم تغيير كيفية سلوك المادة. أحد عمليات الاستبدال هذه يتضمن إضافة "السيريوم"، وهو عنصر من العناصر الأرضية النادرة، لمعرفة ما إذا كان سيجعل المادة أفضل في امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية أو تفكيك الملوثات. والهدف هو العثور على مادة يمكنها امتصاص طاقة الميكروويف غير المرغوب فيها بهدوء، ربما لحماية الإلكترونيات الحساسة أو لتقليل تداخل الإشارات، مع القدرة أيضًا على استخدام ضوء الشمس لتنظيف الانسكابات الكيميائية.

لقد وضع فريق من الباحثين من أوكرانيا وبولندا خطة لاستكشاف كيف يغير إضافة السيريوم من فيريت الكوبالت. قاموا بإنشاء سلسلة من المواد المركبة عن طريق خلط الكوبالت والحديد وكميات متفاوتة من السيريوم باستخدام عملية تعتمد على الماء ذات ضغط وحرارة عاليين تُعرف باسم "التخليق الحراري المائي". سمحت هذه الطريقة بنمو البلورات في بيئة محكومة. ثم أخضعوا هذه المواد الجديدة لمجموعة صارمة من الاختبارات، حيث فحصوا بنيتها الداخلية بالأشعة السينية، وتفحصوا شكلها تحت مجاهر قوية، وقاسوا كيفية تفاعلها مع المجالات المغناطيسية، والضوء، وإشعاع الميكروويف. وما وجدوه كان قصة واضحة من المقايضات: إذ إن إضافة المزيد من السيريوم غيرت البنية الداخلية للمادة بطرق جعلتها أفضل في بعض المهام وأسوأ في مهام أخرى.

كان الاكتشاف الأكثر إثارة للاهتمام يتعلق بقوة المادة المغناطيسية وقدرتها على امتصاص طاقة الميكروويف. فعندما صنع الباحثون المادة بدون أي سيريوم، كانت تحتوي على خليط من فيريت الكوبالت وسبائك معدنية من الحديد والكوبالت. هذا المزيج منح المادة جذبًا مغناطيسيًا قويًا جدًا، حيث وصل التشبع المغناطيسي إلى ما بين 189 و199 وحدة لكل جرام، ومقاومة لفقدان مغناطيسيتها، تُعرف بالقدرة القسرية، بلغت حوالي 800 وحدة. ومع ذلك، مع زيادة كمية السيريوم، بدأت السبيكة المعدنية في الاختفاء. وبحلول الوقت الذي وصلوا فيه إلى أعلى تركيز للسيريوم، اختفت السبيكة تمامًا، وحل محلها طور أكسيد منفصل. وبناءً على ذلك، انخفضت القوة المغناطيسية بشكل كبير، لتصل إلى حوالي 145 وحدة لكل جرام، ولانت المقاومة لفقدان المغناطيسية لتصل إلى 215 وحدة. وكان لهذا التحول تأثير مباشر على كيفية تعامل المادة مع طاقة الميكروويف. فقد كانت العينة التي لا تحتوي على سيريوم هي الأكثر فعالية في الامتصاص، حيث كانت قادرة على حجب إشارات الميكروويف بفقد قدره حوالي -11.05 ديسيبل لكل مليمتر في نطاق التردد من 8 إلى 10 جيجاهرتز. ومع إضافة المزيد من السيريوم، ضعفت قدرة الامتصاص هذه، لتنخفض إلى -8.24 ديسيبل لكل مليمتر. وخلص الباحثون إلى أن وجود السبيكة المعدنية كان محركًا رئيسيًا للامتصاص العالي، وأن تخفيفها بالسيريوم قلل من هذا التأثير.

بعيدًا عن المغناطيسية، أدى إضافة السيريوم إلى إحداث تغييرات في الخصائص البصرية للمادة وقدرتها على العمل كمحفز ضوئي، وهي مادة تستخدم الضوء لتسريع التفاعلات الكيميائية. قاس الباحثون "فجوة الطاقة"، وهي خاصية تحدد الألوان التي يمكن للمادة امتصاصها من الضوء. ووجدوا أنه مع زيادة محتوى السيريوم، ضاقت فجوة الطاقة هذه، لتنخفض من 2.1 إلكترون فولت إلى 1.8 إلكترون فولت. هذا الضيق يعني أن المادة يمكنها امتصاص نطاق أوسع من الضوء المرئي. ولاختبار ما إذا كان هذا يجعل المادة أكثر فائدة لتنظيف الملوثات، عرضوا المادة لصبغة زرقاء تسمى "ميثيلين بلو" تحت الضوء. وأظهرت النتائج أن العينات ذات محتوى السيريوم الأعلى قامت بتفكيك الصبغة بشكل أسرع بكثير من فيريت الكوبالت النقي. وكانت المادة التي تحتوي على أكبر قدر من السيريوم فعالة بشكل خاص، حيث دمرت الصبغة بسرعة في الدقائق العشر الأولى من المعالجة. وهذا يشير إلى أنه بينما قد يضعف السيري ت المادة في الامتصاص المغناطيسي للموجات الدقيقة، فإنه يعزز بشكل كبير إمكاناتها في التطبيقات البيئية مثل تنقية المياه.

كما نظر الفريق عن كثب في البنية الفيزيائية للبلورات لفهم سبب حدوث هذه التغييرات. وباستخدام تحليل الأشعة السينية والمجهر الإلكتروني، لاحظوا أن حجم حبيبات البلورات الفردية يتقلص مع إضافة المزيد من السيريوم. في العينة التي لا تحتوي على سيريوم، كانت الحبيبات أكبر وغالبًا ما تشكل أشكالًا ثمانية الأوجه مميزة، تشبه أحجار النرد ثمانية الأوجه الصغيرة. ومع إدخال السيريوم، حلت محل تلك الأشكال الكبيرة والمحددة جيدًا حبيبات أصغر وأكثر استدارة وتراصًا. ورصد الباحثون أيضًا تحولًا في طريقة اهتزاز الذرات داخل الشبكة البلورية، مما يشير إلى أن ذرات السيريوم الأكبر حجمًا تضغط الهيكل وتسبب تشوهات. وهذه التغييرات الهيكلية، جنباً إلى جنب مع اختفاء السبيكة المعدنية، فسرت انخفاض الأداء المغناطيسي. كما اقترحت الدراسة آلية لكيفية تشكل المادة، مشيرة إلى أن السيريوم يلعب دورًا في منع تكوين سبيكة الحديد والكوبالت المعدنية أثناء عملية التخليق، ويرجع ذلك على الأرجح إلى تغيير التفاعلات الكيميائية التي تنتج غاز الهيدروجين.

في النهاية، يقدم هذا العمل خريطة مفصلة لكيفية قيام عنصر واحد بتوجيه مادة في اتجاهين مختلفين. فمن خلال ضبط كمية السيريوم ببساطة، استطاع الباحثون الاختيار بين مادة تكون ممتصًا مغناطيسيًا قويًا للموجات الدقيقة، أو مادة تكون محفزًا ضوئيًا عالي الكفاءة لتفكيك المواد الكيميائية. لا تدعي الدراسة أنها حلت مشكلة إنشاء مادة مثالية شاملة، لكنها توضح بوضوح المقايضات المحددة المعنية. تظل المادة التي لا تحتوي على سيريوم هي الخيار الأفضل لامتصاص طاقة الميكروويف، بينما توفر النسخ المطعمة بالسيريوم أداءً محسناً للتفاعلات الكيميائية المدفوعة بالضوء. وتسمح هذه الوضوح للمهندسين باختيار النسخة المناسبة لاحتياجاتهم المحددة، سواء كان ذلك لحماية المعدات الإلكترونية أو لتنظيف المياه الملوثة.