Synthesis and design of nanostructured Mg(2-x) Gd x Ni(1-x)Al2O4 ferrites thin films for high performance EMI Shielding applications

تتشبع الحياة الحديثة بموجات غير مرئية. فمن الهواتف الذكية في جيوبنا إلى أجهزة التوجيه (الراوتر) في جدراننا، نحن محاطون باستمرار بالإشعاع الكهرومغناطيسي. وبينما تحمل هذه الموجات البيانات التي تشغل عالمنا الرقمي، فإنها تخلق أيضاً نوعاً من التلوث. فعندما تزدحم الكثير من الإشارات في نفس المساحة، يمكن أن تتداخل مع بعضها البعض، مما يتسبب في تعطل الأجهزة الإلكترونية أو فقدان البيانات. هذه الظاهرة، المعروفة باسم التداخل الكهرومغناطيسي، هي مشكلة متزايدة مع ازدياد كثافة التكنولوجيا وقوتها. ولحماية المعدات الحساسة، يحتاج المهندسون إلى مواد يمكنها العمل كدرع، يلتقط هذه الموجات الشاردة ويمنعها من المرور عبرها. والدروع الأكثر فعالية لا تكتفي بمجرد عكس الموجات بعيداً؛ بل تمتص الطاقة وتحولها إلى حرارة غير ضارة، مما يمنع الإشعاع من الانعكاس مرة أخرى إلى البيئة المحيطة.

يعمل فريق من الباحثين في الهند على نوع جديد من المواد المصممة لحل هذه المشكلة. لقد ركزوا على فئة معينة من المركبات المغناطيسية تسمى "السبينل فيريت" (spinel ferrites). وهي مواد تشبه السيراميك وتتفاعل طبيعياً مع المجالات المغناطيسية والكهرباء. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم تحسين هذه المواد عن طريق إضافة عنصر نادر يسمى "الجادولينيوم". ومن خلال خلط كميات ضئيلة من الجادولينيوم في قاعدة مكونة من المغنيسيوم والنيكل والألومنيوم، صنعوا مركباً جديداً. ثم حولوا هذا الخليط إلى أغشية رقيقة جداً، بسمك خمسين ميكرومتر فقط، وهو ما يعادل تقريباً عرض شعرة الإنسان. وكان الهدف هو معرفة ما إذا كان هذا المزيج المحدد يمكنه امتصاص نطاق واسع من الترددات الميكروية، وخاصة تلك المستخدمة في الرادار والاتصالات عالية السرعة، دون عكسها.

بدأت العملية بطريقة تسمى "احتراق المحلول". قام الباحثون بخلط كميات دقيقة من نترات المعادن مع وقود مثل الجلوكوز واليوريا في الماء. وعند تسخين هذا الخليط، اشتعل في تفاعل محكوم، تاركاً وراءه مسحوقاً أسود ناعماً من جسيمات الفيريت النانوية الجديدة. ثم قاموا بتعليق هذا المسحوق في مذيب سائل وطلاؤه على شرائح بلاستيكية لتشكيل الأغشية الرقيقة. ولضمان نقاء المادة وبنيتها الجيدة، فحص الفريق المادة باستخدام مجاهر قوية وأجهزة الأشعة السينية. ووجدوا أن الجسيمات يبلغ حجمها حوالي خمسين نانومتراً، وأن إضافة الجادولينيوم ساعدت الجسيمات على ترتيب نفسها في بنية بلورية موحدة. كما أثبتت المادة استقرارها حتى عند تسخينها إلى درجات حرارة عالية، حيث فقدت وزناً ضئيلاً جداً، مما يشير إلى قدرتها على الصمود في البيئات القاسية.

جاء الاكتشاف الأهم عندما اختبر الفريق مدى قدرة هذه الأغشية على حجب الموجات الكهرومغناطيسية. وقاموا بقياس الأغشية عبر نطاق واسع من الترددات، من ثمانية إلى ثمانية عشر جيجاهرتز. وأظهرت النتائج أن الأغشية كانت ممتازة في امتصاص الموجات بدلاً من عكسها. وكانت العينة الأفضل أداءً، والتي احتوت على أعلى كمية من الجادولينيوم، قد حجبت ما يقرب من تسعة وتسعين فاصلة تسعة وثمانين بالمائة من الإشعاع الوارد. ومن الناحية التقنية، يتوافق هذا مع فعالية حجب تبلغ سالب ستة وعشرين فاصلة خمسة وعشرين ديسيبل. ويتحقق هذا المستوى من الأداء لأن ذرات الجادولينيوم غيرت طريقة حركة الإلكترونات داخل المادة، مما خلق المزيد من الفرص لتحويل الطاقة الكهرومغناطيسية إلى حرارة. كما أظهرت المادة قدرة عالية على توصيل الكهرباء، مما ساعد بشكل أكبر في حبس الموجات وتبديدها.

وبعيداً عن مجرد حجب الموجات، بحث الباحثون في كيفية سلوك المادة بمرور الوقت. فقد تركوا أفضل عينة معرضة للهواء والإشعاع لمدة ستين يوماً ووجدوا أن أداءها ظل دون تغيير تقريباً، حيث انخفض بنسبة اثنين بالمائة فقط. وهذا الاستقرار أمر بالغ الأهمية للتطبيقات الواقعية حيث يجب أن تعمل المواد بموثوقية لسنوات دون تدهور. كما قاس الفريق مدى عمق اختراق الموجات للمادة، ووجدوا أن الموجات يتم إيقافها بالقرب من السطح. وهذا يشير إلى أن المادة فعالة للغاية في امتصاص الطاقة في المكان الذي تصطدم به مباشرة. وتخلص الدراسة إلى أن هذه الأغشية المطعمة بالجادولينيوم تعد مرشحاً واعداً لحماية الأجهزة الإلكترونية في الأنظمة الدفاعية وشبكات الاتصالات. ومن خلال تحويل مادة سيراميكية شائعة إلى ممتص عالي الكفاءة عبر ضبط كيميائي بسيط، قدم الباحثون حلاً محتملاً للتحدي المتزايد المتمثل في التداخل الكهرو مغناطيسي.