Preparation and Microwave Absorption Properties of Graphene/Pure Ferrite Composite Absorbers
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि 1:3 द्रव्यमान अनुपात के साथ हाइड्रोथर्मल विधि द्वारा तैयार किए गए ग्राफीन/शुद्ध फेराइट कंपोजिट अवशोषक, इंटरफेशियल पोलराइजेशन और मल्टीपल रिफ्लेक्शन द्वारा संचालित उन्नत चुंबकीय और डाइइलेक्ट्रिक लॉस के सहक्रियात्मक तंत्र के माध्यम से इष्टतम माइक्रोवेव अवशोषण प्रदर्शन (−23.8 dB @ 11.8 GHz) प्राप्त करते हैं।
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हमारे चारों ओर की अदृश्य दुनिया में, रेडियो तरंगें और सूक्ष्म तरंगें (माइक्रोवेव्स) हमारे सेल फोन कॉल, वाई-फाई सिग्नल और रडार डेटा को ले जाती हैं। जबकि हम जुड़ने के लिए इन तरंगों पर भरोसा करते हैं, वे तब एक परेशानी या खतरा भी बन सकती हैं जब वे सतहों से टकराकर वापस आती हैं और हस्तक्षेप पैदा करती हैं, या जब वे संवेदनशील उपकरणों के स्थान का खुलासा करती हैं। इसे प्रबंधित करने के लिए, वैज्ञानिक विशेष सामग्रियां विकसित करते हैं जिन्हें इन तरंगों को वापस परावर्तित होने देने के बजाय उन्हें निगलने के लिए डिज़ाइन किया गया है। सबसे प्रभावी सामग्रियों को अक्सर दो प्रतिस्पर्धी गुणों के बीच संतुलन बनाने की आवश्यकता होती है: बिजली का संचालन करने की क्षमता और चुंबकीय क्षेत्रों के साथ परस्पर क्रिया करने की क्षमता। कार्बन-आधारित सामग्रियां बिजली का संचालन करने और विद्युत घर्षण के माध्यम से तरंगों को अवशोषित करने में उत्कृष्ट हैं, लेकिन वे अक्सर ऊर्जा को अवशोषित होने से पहले सतह पर बहुत अधिक परावर्तित कर देती हैं। दूसरी ओर, चुंबकीय सामग्रियां चुंबकीय इंटरैक्शन के माध्यम से ऊर्जा को सोखने में बहुत अच्छी होती हैं, लेकिन वे अक्सर भारी होती हैं और उनमें आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए आवश्यक विद्युत चालकता की कमी होती है। चुनौती इन दोनों प्रकार की सामग्रियों को एक एकल, हल्के पदार्थ में संयोजित करने की है जो तरंगों की एक विस्तृत श्रृंखला को संभाल सके बिना उन्हें सतह से दूर परावर्तित किए।
चीन में लियाओनिंग इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने ग्राफीन को शुद्ध फेराइट के साथ मिलाकर एक नया प्रकार का मिश्रित पदार्थ बनाकर इस समस्या को हल करने की दिशा में एक कदम उठाया है। ग्राफीन परमाणुओं की एक एकल परत के रूप में व्यवस्थित कार्बन का एक रूप है, जो अपनी मजबूती और विद्युत चालकता के लिए जाना जाता है। फेराइट एक प्रकार की चुंबकीय सिरेमिक सामग्री है जो चुंबकीय क्षेत्रों के साथ मजबूती से परस्पर क्रिया करती है। टीम ने हाइड्रोथर्मल संश्लेषण नामक एक प्रक्रिया का उपयोग किया, जिसमें एक सीलबंद कंटेनर में पानी और रसायनों के मिश्रण को गर्म करके सामग्री को विकसित किया जाता है। उन्होंने यह देखने के लिए ग्राफीन को फेराइट के साथ विभिन्न अलग-अलग अनुपातों में मिलाया कि दोनों घटकों के बीच का संतुलन सामग्री की सूक्ष्म तरंगों को अवशोषित करने की क्षमता को कैसे प्रभावित करता है। लक्ष्य एक विशिष्ट रेसिपी खोजना था जहाँ ग्राफीन के विद्युत गुण और फेराइट के चुंबकीय गुण मिलकर पूरी तरह से काम करें, जिससे तरंगों को सामग्री के भीतर प्रवेश करने और अंदर फंस जाने की अनुमति मिले, न कि सतह से वापस टकराने की।
टीम ने छह अलग-अलग नमूने बनाए, जो ज्यादातर ग्राफीन से लेकर ज्यादातर फेराइट तक के थे। उन्होंने इन नमूनों की सूक्ष्म संरचना का परीक्षण किया और पाया कि फेराइट के कण, जो 0.1 और 0.5 के आकार के सूक्ष्म गोले थे, ग्राफीन शीट की झुर्रीदार सतहों पर समान रूप से जम गए थे। इस व्यवस्था ने ग्राफीन शीट को आपस में गुच्छे बनाने से रोका और उन सीमाओं का एक विशाल नेटवर्क बनाया जहाँ दोनों सामग्रियां मिलती हैं। ये सीमाएं महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे ऐसी साइटों के रूप में कार्य करती हैं जहाँ विद्युत आवेश जमा हो सकते हैं और ऊर्जा को ऊष्मा के रूप में छोड़ सकते हैं। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने मिश्रण में फेराइट की मात्रा बढ़ाई, सामग्री की चुंबकीय क्षेत्रों के साथ परस्पर क्रिया करने की क्षमता मजबूत होती गई, जबकि इसकी विद्युत चालकता थोड़ी कम हो गई। यह बदलाव ठीक वही था जिसकी सामग्री के समग्र प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए आवश्यकता थी।
जब शोधकर्ताओं ने यह परीक्षण किया कि ये सामग्रियां सूक्ष्म तरंगों को कितनी अच्छी तरह अवशोषित करती हैं, तो उन्होंने पाया कि फेराइट की उच्चतम मात्रा वाला नमूना सबसे अच्छा प्रदर्शन करता है। इस विशिष्ट मिश्रण ने, जिसमें एक भाग ग्राफीन और तीन भाग फेराइट था, 3 मिलीमीटर की मोटाई पर अपने शिखर प्रदर्शन को प्राप्त किया। 11.8 गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्ति पर, इस नमूने ने इतनी अधिक ऊर्जा को अवशोषित किया कि केवल एक बहुत छोटा हिस्सा ही वापस परावर्तित हुआ, जो -23.8 डेसिबल का परावर्तन नुकसान (रिफ्लेक्शन लॉस) दर्ज करता है। इसे समझने के लिए, -10 डेसिबल का परावर्तन नुकसान एक अच्छे अवशोषक का मानक बेंचमार्क है, जिसका अर्थ है कि वह आने वाली तरंग का 90 प्रतिशत सोख लेता है। यह नया पदार्थ उस मानक से कहीं आगे निकल गया, अपने शिखर आवृत्ति पर तरंग के 99 प्रतिशत से अधिक को अवशोषित कर लिया। इसके अलावा, इसने आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला में इस उच्च स्तर को बनाए रखा, जो 3.7 गीगाहर्ट्ज़ के विस्तार को कवर करता है, जो एक एकल सामग्री के लिए एक महत्वपूर्ण चौड़ाई है।
इस सामग्री की सफलता बिजली और चुंबकत्व को संभालने के बीच एक नाजुक संतुलन से आती है। ग्राफीन विद्युत धाराओं के प्रवाह के लिए एक मार्ग प्रदान करता है, जिससे घर्षण पैदा होता है जो तरंग ऊर्जा को ऊष्मा में बदल देता है। फेराइट के कण तरंग के चुंबकीय हिस्से के साथ परस्पर क्रिया करते हैं, जिससे एक अलग प्रकार का घर्षण पैदा होता है जो ऊष्मा भी उत्पन्न करता है। जब ये दोनों तंत्र मिलकर काम करते हैं, तो वे तरंगों को आसानी से सामग्री में प्रवेश करने देते हैं और फिर यात्रा के दौरान अपनी ऊर्जा को तेजी से नष्ट कर देते हैं। शोधकर्ताओं ने देखा कि ग्राफीन और फेराइट की सतह पर दोष और खामियां भी इसमें भूमिका निभाती हैं, जो तरंगों के लिए अतिरिक्त जाल के रूप में कार्य करती हैं। दोनों सामग्रियों के अनुपात को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, टीम एक ऐसी सामग्री बनाने में सफल रही जो हल्की और अत्यधिक कुशल है, जो बेहतर स्टील्थ कोटिंग और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक शील्डिंग विकसित करने के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करती है।
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