Facile fabrication of ternary MoO2/Fe2O3/CNFs nanofibers with efficient electromagnetic wave absorption performance

في العالم الحديث، تندفع موجات غير مرئية من الطاقة عبر الهواء باستمرار، حاملةً رسائلنا النصية، واتصالاتنا بالإنترنت، وإشارات التلفاز. وبينما تعد هذه الموجات الكهرومغناطيسية ضرورية للاتصالات، فإن كثرتها قد تكون ضارة. تماماً كما تجعل الغرفة المزدحمة من الصعب سماع محادثة واحدة، فإن فرط هذه الموجات يمكن أن يتداخل مع المعدات الإلكترونية الحساسة ويشكل مخاطر محتملة على صحة الإنسان. ولحل هذه المشكلة، سعى العلماء طويلاً لإيجاد مواد تعمل كإسفنجة، تمتص هذه الموجات الشاردة قبل أن تسبب المشاكل. ويجب أن تكون المادة المثالية رقيقة، وخفيفة، ومرنة بما يكفي لتطبيقها على أسطح مختلفة، ومع ذلك قوية بما يكفي لامتصاص مجموعة واسعة من الترددات. ولعقود من الزمن، حاول الباحثون خلط المعادن المغناطيسية مع الكربون، لكن العثور على التوازن المثالي بين امتصاص الطاقة والسماح للموجات بدخول المادة في المقام الأول ظل لغزاً صعباً.

لقد اتخذ فريق من الباحثين من جامعة "جيجيانغ للعلوم والتكنولوجيا" ومؤسسات أخرى في الصين نهجاً جديداً لهذه المشكلة من خلال ابتكار نوع جديد من الألياف يجمع بين ثلاثة عناصر متميزة في هيكل واحد خفيف الوزن. بدأوا بمحلول يحتوي على جزيئات دقيقة من أكسيدين مختلفين: أحدهما مصنوع من الحديد والآخر من الموليبدينوم، ممزوجين في محلول بوليمر. وباستخدام تقنية تسمى "الغزل الكهربائي"، والتي تستخدم الكهرباء لمد السائل إلى خيوط دقيقة للغاية، قاموا بغزل هذه الجزيئات في حصيرة من الألياف. ثم قاموا بتسخين هذه الألياف في فرن لتحويل البوليمر إلى كربون، تاركين وراءهم مادة مركبة حيث تندمج جسيمات نانوية من أكسيد الحديد وأكسيد الموليبدينوم داخل شبكة من ألياف الكربون النانوية. وكانت النتيجة مركباً ثلاثياً، مما يعني أنه يتكون من ثلاثة أجزياء عاملة، صُممت لتعمل معاً على حجز وتشتيت الطاقة الكهرومغناطيسية.

اختبر الباحثون عدة متغيرات لهذه المادة، حيث قاموا بتغيير كمية أكسيد الموليبدينوم لمعرفة مدى تأثيرها على الأداء. ووجدوا أن هذا الخليط المحدد، الذي أطلقوا عليه اسم "العينة الثانية"، كان الأفضل أداءً. وعند اختباره في بيئة مختبرية، امتصت هذه المادة المحسنة الموجات الكهرومغناطيسية بكفاءة ملحوظة. فبسُمك يبلغ 2.00 ملم فقط، قللت من انعكاس الموجات إلى حد أدنى قدره -40.90 ديسيبل عند تردد 10.56 جيجاهرتز. ولوضع ذلك في المنظور، فإن القيمة التي تقل عن -10 ديسيبل تعني أن المادة تمتص أكثر من 90 في المائة من الموجات التي تصطدم بها؛ وقد امتصت هذه العينة جميعها تقريباً. والأكثر إثارة للإعجاب هو أنه عندما جعل الباحثون الطبقة أرق قليلاً، لتصل إلى 1.50 ملم، استطاعت المادة أن تمتص نطاقاً واسعاً من الترددات، مغطيةً عرض نطاق ترددي قدره 5.76 جيجاهرتز. وهذا النطاق مهم لأنه يشمل تقريباً كامل نطاق "Ku band"، وهو شريحة محددة من الطيف المستخدم لاتصالات الأقمار الصناعية وأنظمة الرادار.

وينبع نجاح هذه المادة من كيفية تفاعل مكوناتها الثلاثة. توفر ألياف الكربون النانوية شبكة موصلة تسمح للإلكترونات بالتحرك بحرية، مما يخلق نوعاً من فقدان الطاقة المعروف باسم "الفقد الموصل". وتضيف جسيمات أكسيد الحديد النانوية خصائص مغناطيسية، مما يسمح للمادة بالتفاعل مع الجزء المغناطيسي من الموجات. أما أكسيد الموليبدينوم فيساعد في ضبط الخصائص الكهربائية ويخلق العديد من الواجهات الدقيقة حيث تلتقي المواد المختلفة. تعمل هذه الواجهات كفخاخ للموجات، مما يتسبب في تشتتها وفقدان طاقتها من خلال عملية تسمى "الاستقطاب". وقد لاحظ الباحثون أن الجمع بين هذه التأثيرات خلق توازناً مثالياً: كانت المادة موصلة بما يكفي لامتصاص الطاقة ولكن ليست موصلة لدرجة تعكس الموجات بعيداً مثل المرآة. هذا التوازن، المعروف باسم "مطابقة الممانعة"، سمح للموجات بدخول المادة وتبديدها بدلاً من الارتداد عن السطح.

ولضمان أن هذه النتائج لم تكن مقتصرة على المختبر، استخدم الفريق عمليات محاكاة حاسوبية لنمذجة كيفية سلوك المادة في سيناريو من العالم الحقيقي. لقد قاموا بمحاكاة نظام رادار يرصد هدفاً مغطى بمادتهم الجديدة. وأظهرت النتائج أن المادة قللت بشكل كبير من "المقطع العرضي للرادار"، وهو مقياس لمدى رؤية الجسم بواسطة الرادار. فبينما يعكس السطح المعدني العاري إشارة قوية، انخفضت الإشارة المنعكسة بشكل كبير عند طلاء الجسم بهذا المركب الليفي الجديد، مما يجعل من الصعب جداً اكتشاف الجسم. وهذا يشير إلى أن المادة يمكن أن تكون فعالة للغاية في التطبيقات العملية، مثل طلاء الطائرات أو الأجهزة الإلكترونية لمنع التداخل أو تقليل بصمة الرادار الخاصة بها.

كما أوضحت الدراسة ما الذي لا يعمل بشكل جيد مثل الخليط الأمثل. فعندما أضاف الباحثون الكثير من أكسيد الموليبدينوم، انخفضت قدرة المادة على امتصاص الموجات. فقد أدى فائض المادة غير المغناطيسية إلى تخفيف الخصائص المغناطيسية التي يوفرها أكسيد الحديد، مما أضعف الأداء العام. وقد استبعد هذا الاكتشاف فكرة أن مجرد إضافة المزيد من أحد المكونات سيؤدي دائماً إلى نتائج أفضل؛ بل سلط الضوء على أهمية العثور على النسبة الدقيقة التي تتكامل فيها الخصائص المغناطيسية والكهربائية. وأكد الباحثون أن أداء المادة كان مدفوعاً بتآزر الآليات، بما في ذلك حركة الإلكترونات، والرنين المغناطيسي، وتشتت الموجات عند الحدود بين الجسيمات المختلفة.

من خلال الجمع بين الغزل الكهربائي والكربنة عالية الحرارة، أثبت الفريق طريقة مباشرة لإنشاء مادة تتسم بالرقة والقوة في آن واحد. المنتج النهائي عبارة عن حصيرة ليفية مرنة وخفيفة الوزن يمكن تطويعها لامتصاص ترددات محددة. وبينما ركزت الدراسة على الإنشاء والاختبار المختبري للمادة، فإن عمليات المحاكاة تشير إلى مسار واضح نحو الاستخدام العملي في البيئات عالية التردد. يقدم هذا العمل مساراً واعداً لتطوير الجيل القادم من مواد الحماية الكهرومغناطيسية، مما يثبت أن مزيجاً متوازناً بعناية من العناصر الشائعة يمكن أن يحل مشكلات معقدة في امتصاص الموجات دون الحاجة إلى مكونات ثقيلة أو ضخمة.