Tuning the Electromagnetic Response of Co₂Y Hexaferrites through Ni–Zn Substitution and Graphite Addition

في العالم غير المرئي الذي يحيط بنا، تحمل الموجات الكهرومغناطيسية كل شيء، من البث الإذاعي إلى البيانات التي تتدفق عبر هواتفنا. وبينما تعد هذه الموجات ضرورية للحياة المعاصرة، إلا أنها يمكن أن تصبح أيضاً مصدراً للتداخل، حيث ترتد عن المباني والإلكترونيات لتخلق ضجيجاً خلفياً فوضوياً يعطل الإشارات ويقوض الأمن. ولحل هذه المشكلة، يطور العلماء مواد تعمل كإسفنجات لهذه الموجات، حيث تمتص الطاقة وتحولها إلى حرارة غير ضارة بدلاً من تركها ترتد مجدداً إلى البيئة المحيطة. ومن بين هذه المواد الواعدة تبرز مجموعة من البلورات تُعرف باسم "هيكسافيريت" (hexaferrites). هذه مركبات مغناطيسية تتفاعل طبيعياً مع الموجات الكهرو مغناطيسية، لكن سلوكها غالباً ما يكون شديد الصلابة بالنسبة لاحتياجات محددة؛ فهي تميل لامتصاص الطاقة عند تردد واحد ضيق فقط، مثل راديو مضبوط على محطة واحدة، مما يترك الترددات الأخرى تمر عبرها أو ترتد بعيداً. ويتمثل التحدي الذي يواجه الباحثين في ضبط هذه المواد بحيث يمكنها ابتلاع نطاق أوسع من الترددات، لا سيما في نطاق الميكروويف المستخدم في الرادار والاتصالات، دون الحاجة لأن تكون سميكة بشكل مفرط.

لقد وضع فريق من الباحثين في جامعة مالك أشتر للتكنولوجيا في إيران هدفاً يتمثل في تحسين هذه البلورات المغناطيسية عن طريق تغيير وصفتها الكيميائية وإضافة مادة موصلة شائعة. وقد ركزوا على نوع محدد من الهيكسافيريت يُسمى "Y-type"، وهو معروف بقدرته على تدوير اتجاهه المغناطيسي بسهء داخل مستوى مسطح. ولجعل هذه البلورات أكثر تنوعاً، استبدل العلماء بعض ذرات الكوبالت داخل البنية البلورية بمزيج من ذرات النيكل والزنك. صُمم هذا الاستبدال لتليين الخصائص المغناطيسية للمادة، مما يجعل من الأسهل على الموجات المغناطيسية التحرك من خلالها. كما أدخلوا كميات صغيرة من الجرافيت، وهو شكل من أشكال الكربون، في المزيج. وكان الهدف هو موازنة قدرة المادة على توصيل الكهرباء مع خصائصها المغناطيسية، لخلق مركب يمكنه امتصاص الموجات بفعالية أكبر وبمظهر أكثر رقة.

قام الباحثون بإنشاء سلسلة من هذه البلورات ذات كميات متفاوتة من النيكل والزنك، تتراوح من عدم وجودهما إلى الاستبدال الكامل للكوبالت. وقد قاموا بتخليق المساحيق باستخدام عملية كيميائية دقيقة خلطت فيها محاليل معدنية مع حمض الستريك لتكوين "جل"، والذي تم تجفيفه ثم خبزه في درجات حرارة عالية لتشكيل البنية البلورية النهائية. ومن خلال ضبط درجة حرارة الخبز بعناية، ضمنوا تشكل البلورات بشكل صحيح، رغم أنهم وجدوا أن الكميات الأكبر من مزيج المعدن الجديد تتطلب أفرانًا أكثر سخونة لتحقيق بنية بلورية نقية. وعندما فحصوا الجسيمات الناتجة تحت المجهر، رأوا الشكل المسطح المميز الذي يشبه الصفائح لهذه الهيكسافيريت. ومع زيادة كمية النيكل والزنك، نمت الجسيمات لتصبح أكبر وأكثر خشونة، خاصة في العينة ذات الاستبدال الأعلى، والتي تم خبزها عند أعلى درجة حرارة.

وعندما اختبر الفريق السلوك المغناطيسي لهذه المواد الجديدة، لاحظوا تحولاً واضحاً. كانت البلورات الأصلية "صلبة" للغاية، بمعنى أنها تقاوم التغيرات في اتجاهها المغناطيسي. ومع إضافة النيكل والزنك، أصبحت المادة "لينة"، مما سمح لاتجاهها المغناطيسي بالانقلاب بسهولة أكبر. كان هذا التلين نتيجة مباشرة للتغييرات الكيميائية داخل البلورة. ومع ذلك، فإن التردد الذي رنت عنده المادة مع الموجات الكهرومغناطيسية لم يتبع خطاً مستقيماً بسيطاً؛ بل قفز تردد الرنين إلى ذروة عند إضافة كمية متوسطة من النيكل والزنك، ثم انخفض مرة أخرى مع زيادة الاستبدال. هذا السلوك غير الخطي يشير إلى أن القوى المغناطيسية الداخلية تتغير بطريقة معقدة، متأثرة بكيفية ترتيب الذرات المختلفة داخل الشبكة البلورية.

ولفهم مدى جودة امتصاص هذه المواد للموجات الدقيقة (الميكروويف)، قام الباحثون بخلط مساحيق الفيريت هذه مع شمع البارافين لإنشاء كتل صلبة، وقاسوا مقدار الطاقة المنعكسة عند اصطدام الموجات بها في نطاق يتراوح من 1 إلى 18 جيجاهرتز. ووجدوا أن المادة ذات أعلى قدر من استبدال النيكل والزنك كانت الأفضل أداءً بين الفيريتات النقية؛ حيث يمكنها امتصاص نطاق واسع من الترددات، مغطية عرض نطاق قدره 3.7 جيجاهرتز، ولكنها تطلبت سمكاً قدره 4.5 مليمتر للقيام بذلك بفعالية. ورغم أن هذا كان تحسناً، إلا أن الباحثين كانوا يعلمون أنه بالنسبة للعديد من التطبيقات العملية، سيكون وجود ممتص أكثر رقة أمراً مفضلاً.

وهنا يأتي دور إضافة الجرافيت. فقد أخذ الفريق أفضل خليط فيريت لديهم وأضاف إليه كمية صغيرة من الجرافيت، وتحديداً بنسبة 8 بالمائة من الوزن الإجمالي للمادة المالئة المغناطيسية. غيرت هذه الإضافة الخصائص الكهربائية للمركب، مما زاد من قدرته على توصيل الكهرباء قليلاً دون أن يصبح موصلاً لدرجة تجعله يعكس الموجات مثل مرآة معدنية. وكانت النتيجة تحسناً كبيراً؛ إذ استطاع المركب الجديد، الذي يحتوي على 8 بالمائ مئة فقط من الجرافيت، امتصاص نفس النطاق الواسع من الترددات، ولكن بمظهر أكثر رقة يبلغ 3.0 مليمتر فقط. علاوة على ذلك، عند تردد محدد قدره 5.1 جيجاهرتز، امتصت هذه الطبقة الرقيقة كمية هائلة من الطاقة لدرجة أن فقدان الانعكاس وصل إلى أدنى مستوى له عند -38 ديسيبل، مما يعني أنها امتصت 99.99 في المائة من الموجة القادمة.

كما اختبر الباحثون ما يحدث إذا أضافوا المزيد من الجرافيت. فعندما رفعوا محتوى الجرافيت إلى 15 أو 25 بالمائة، انهارت كفاءة الامتصاص. أصبحت المادة موصلة للغاية، مما تسبب في ارتداد الموجات عن السطح قبل أن تتمكن حتى من دخول المادة لامتصاصها. وقد أكد هذا أن مفتاح النجاح يكمن في التوازن الدقيق: قدر كافٍ من الجرافيت للمساعدة في تبديد الطاقة بمجرد دخول الموجة، ولكن ليس الكثير بحيث يمنع الموجة من الدخول في المقام الأول. لقد أثبتت الدراسة أنه من خلال الضبط الدقيق للتركيب الكيميائي للبلورة المغناطيسية وإضافة كمية دقيقة من الكربون الموصل، يمكن إنشاء درع رفيع وفعال ضد التداخل الكهرومغناطيسي. وتشير النتائج إلى أن هذا النهج المزدوج المتمثل في الاستبدال الكيميائي والإضافة الموصلة يوفر مساراً موثوقاً لتصميم مواد متطورة يمكنها حماية الإلكترونيات الحساسة والاتصالات الآمنة دون الحاجة لضخامة الدروع التقليدية.