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

आधुनिक पदार्थ विज्ञान की दुनिया में, शोधकर्ता अक्सर बड़े समाधान खोजने के लिए फेराइट जैसे सूक्ष्म क्रिस्टल की ओर देखते हैं। ये चुंबकीय खनिज हैं जिन्हें प्रकाश, बिजली और उन अदृश्य तरंगों के साथ बातचीत करने के लिए ट्यून किया जा सकता है जो हमारे वायरलेस संकेतों को ले जाती हैं। इनमें से, कोबाल्ट फेराइट एक विशेष रूप से बहुमुखी सामग्री है, जो अपनी मजबूत चुंबकीय शक्ति और स्थिरता के लिए जानी जाती है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि इन क्रिस्टल के भीतर कुछ परमाणुओं को अलग परमाणुओं से बदलकर, वे सामग्री के व्यवहार को बदल सकते हैं। ऐसा ही एक बदलाव सेरियम (cerium) जोड़ने से संबंधित है, जो एक दुर्लभ मृदा तत्व (rare earth element) है, यह देखने के लिए कि क्या यह सामग्री को विद्युत चुंबकीय तरंगों को अवशोषित करने या प्रदूषकों को तोड़ने में बेहतर बनाता है। लक्ष्य एक ऐसी सामग्री खोजना है जो चुपचाप अवांछित माइक्रोवेव ऊर्जा को सोख सके, शायद संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक्स की रक्षा करने या सिग्नल हस्तक्षेप को कम करने के लिए, और साथ ही रासायनिक रिसाव को साफ करने के लिए सूर्य के प्रकाश का उपयोग कर सके।

यूक्रेन और पोलैंड के शोधकर्ताओं की एक टीम ने ठीक इसी बात का पता लगाने के लिए कि सेरियम जोड़ने से कोबाल्ट फेराइट कैसे बदलता है, खोज शुरू की। उन्होंने कोबाल्ट, लोहा और सेरियम की विभिन्न मात्राओं को मिलाकर हाइड्रोथर्मल संश्लेषण (hydrothermal synthesis) नामक एक उच्च-दबाव, उच्च-तापमान जल-आधारित प्रक्रिया का उपयोग करके कंपोजिट सामग्रियों की एक श्रृंखला बनाई। इस विधि ने उन्हें एक नियंत्रित वातावरण में क्रिस्टल उगाने की अनुमति दी। फिर उन्होंने इन नई सामग्रियों को परीक्षणों की एक कठोर श्रृंखला से गुजारा, एक्स-रे के साथ उनकी आंतरिक संरचना की जांच की, शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे उनके आकार का परीक्षण किया, और चुंबकीय क्षेत्रों, प्रकाश और माइक्रोवेव विकिरण के प्रति उनकी प्रतिक्रिया को मापा। उन्होंने पाया कि यह बदलाव स्पष्ट रूप से व्यापार-बंद (trade-offs) की एक कहानी थी: सेरियम की मात्रा बढ़ाने से सामग्री की आंतरिक संरचना इस तरह बदल गई जिससे वह कुछ कार्यों में बेहतर लेकिन अन्य में कमजोर हो गई।

सबसे उल्लेखनीय खोज सामग्री की चुंबकीय शक्ति और माइक्रोवेव ऊर्जा को अवशोषित करने की इसकी क्षमता से संबंधित थी। जब शोधकर्ताओं ने बिना किसी सेरियम के सामग्री बनाई, तो इसमें कोबाल्ट फेराइट और लोहे एवं कोबाल्ट के एक धात्विक मिश्र धातु (metallic alloy) का मिश्रण था। इस संयोजन ने सामग्री को एक बहुत मजबूत चुंबकीय खिंचाव दिया, जिसमें संतृप्ति चुंबकत्व (saturation magnetization) 189 और 199 यूनिट प्रति ग्राम के बीच था, और चुंबकत्व खोने के प्रति प्रतिरोध, जिसे कोएर्सिविटी (coercivity) कहा जाता है, लगभग 800 यूनिट था। हालांकि, जैसे-जैसे उन्होंने सेरियम की मात्रा बढ़ाई, धात्विक मिश्र धातु गायब होने लगी। जब तक वे सेरियम की उच्चतम सांद्रता तक पहुँचे, मिश्र धातु पूरी तरह से गायब हो गई थी, और उसकी जगह एक अलग ऑक्साइड चरण (oxide phase) ने ले ली थी। फलस्वरूप, चुंबकीय शक्ति काफी गिर गई, जो गिरकर लगभग 145 यूनिट प्रति ग्राम हो गई, और चुंबकत्व खोने के प्रति प्रतिरोध घटकर 215 यूनिट रह गया। इस बदलाव का माइक्रोवेव ऊर्जा को संभालने के तरीके पर सीधा प्रभाव पड़ा। बिना सेरियम वाला नमूना सबसे प्रभावी अवशोषक था, जो 8 से 10 गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्ति सीमा में लगभग -11.05 डेसिबल प्रति मिलीमीटर के नुकसान के साथ माइक्रोवेव संकेतों को रोकने में सक्षम था। जैसे-जैसे अधिक सेरियम मिलाया गया, इसकी अवशोषण क्षमता कमजोर होती गई, जो गिरकर -8.24 डेसिबल प्रति मिलीमीटर हो गई। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि धात्विक मिश्र धातु की उपस्थिति उच्च अवशोषण के लिए एक प्रमुख चालक थी, और सेरियम के साथ इसे पतला करने से यह प्रभाव कम हो गया।

चुंबकत्व के अलावा, सेरियम के जुड़ने से सामग्री के ऑप्टिकल गुणों और फोटोकैटलिस्ट (photocatalyst) के रूप में कार्य करने की इसकी क्षमता में परिवर्तन आया, जो एक ऐसा पदार्थ है जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज करने के लिए प्रकाश का उपयोग करता है। शोधकर्ताओं ने ऊर्जा अंतराल (energy gap) को मापा, जो एक ऐसा गुण है जो निर्धारित करता है कि कोई सामग्री प्रकाश के किन रंगों को अवशोषित कर सकती है। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे सेरियम की मात्रा बढ़ी, यह ऊर्जा अंतराल कम होता गया, जो 2.1 इलेक्ट्रॉन वोल्ट से गिरकर 1.8 इलेक्ट्रॉन वोल्ट हो गया। इस संकुचन का अर्थ था कि सामग्री दृश्य प्रकाश की एक विस्तृत श्रृंखला को अवशोषित कर सकती थी। यह परीक्षण करने के लिए कि क्या इससे सामग्री प्रदूषकों को साफ करने के लिए अधिक उपयोगी बनी, उन्होंने प्रकाश के तहत मेथिलीन ब्लू नामक एक नीले रंग के डाई के संपर्क में इसे रखा। परिणामों ने दिखाया कि उच्च सेरियम सामग्री वाले नमूनों ने शुद्ध कोबाल्ट फेराइट की तुलना में डाई को बहुत तेजी से तोड़ा। सबसे अधिक सेरियम वाला पदार्थ विशेष रूप से प्रभावी था, जिसने उपचार के पहले दस मिनट में ही डाई को तेजी से नष्ट कर दिया। यह सुझाव देता है कि जबकि सेरियम माइक्रोवेव के चुंबकीय अवशोषण को कमजोर कर सकता है, यह जल शुद्धीकरण जैसे पर्यावरणीय अनुप्रयोगों के लिए इसकी क्षमता को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है।

टीम ने यह समझने के लिए कि ये परिवर्तन क्यों हुए, क्रिस्टल की भौतिक संरचना को भी करीब से देखा। एक्स-रे विश्लेषण और इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करते हुए, उन्होंने देखा कि जैसे-जैसे अधिक सेरियम जोड़ा गया, व्यक्तिगत क्रिस्टल दानों (grains) का आकार छोटा होता गया। बिना सेरियम वाले नमूने में, दाने बड़े थे और अक्सर विशिष्ट अष्टफलकीय (octahedral) आकृतियाँ बनाते थे, जो छोटे आठ-भुज वाले पासे की तरह दिखते थे। जैसे ही सेरियम पेश किया गया, ये बड़े, सुस्पष्ट आकार छोटे, अधिक गोल और घने रूप से पैक किए गए दानों में बदल गए। शोधकर्ताओं ने क्रिस्टल लैटिस के भीतर परमाणुओं के कंपन के तरीके में भी बदलाव का पता लगाया, जो यह संकेत देता है कि बड़े सेरियम परमाणुओं ने संरचना को दबा दिया और विकृति पैदा की। इन संरचनात्मक परिवर्तनों ने, धात्विक मिश्र धातु के गायब होने के साथ मिलकर, चुंबकीय प्रदर्शन में गिरावट की व्याख्या की। अध्ययन ने इसके निर्माण के तंत्र का भी प्रस्ताव दिया, यह सुझाव देते हुए कि सेरियम संश्लेषण प्रक्रिया के दौरान धात्विक आयरन-कोबाल्ट मिश्र धातु के गठन को रोकने में भूमिका निभाता है, जो संभवतः हाइड्रोजन गैस उत्पन्न करने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं को बदलकर होता है।

अंततः, यह कार्य एक विस्तृत मानचित्र प्रदान करता है कि कैसे एक एकल तत्व एक सामग्री को दो अलग-अलग दिशाओं में मोड़ सकता है। केवल सेरियम की मात्रा को समायोजित करके, शोधकर्ता एक ऐसे पदार्थ को चुन सकते थे जो माइक्रोवेव का एक मजबूत चुंबकीय अवशोषक हो या एक अत्यधिक कुशल फोटोकैटलिस्ट जो रसायनों को तोड़ने के लिए हो। अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने एक पूर्ण 'ऑल-इन-वन' सामग्री बनाने की समस्या को हल कर दिया है, लेकिन यह स्पष्ट रूप से शामिल विशिष्ट ट्रेड-ऑफ को प्रदर्शित करता है। बिना सेरियम वाली सामग्री माइक्रोवेव ऊर्जा को अवशोषित करने के लिए बेहतर विकल्प बनी रहती है, जबकि सेरियम-डोप की गई संस्करण प्रकाश-चालित रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए बेहतर प्रदर्शन प्रदान करती हैं। यह स्पष्टता इंजीनियरों को उनकी विशिष्ट आवश्यकताओं के लिए सही संस्करण चुनने की अनुमति देती है, चाहे वह इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की सुरक्षा करना हो या प्रदूषित पानी को साफ करना हो।