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

आधुनिक दुनिया में, अदृश्य ऊर्जा की लहरें लगातार हवा में दौड़ रही हैं, जो हमारे टेक्स्ट संदेशों, इंटरनेट कनेक्शन और टेलीविजन संकेतों को ले जा रही हैं। हालांकि ये विद्युत चुम्बकीय तरंगें संचार के लिए आवश्यक हैं, लेकिन इनकी अधिकता हानिकारक हो सकती है। जिस तरह एक भीड़भाड़ वाले कमरे में किसी एक बातचीत को सुनना मुश्किल हो जाता है, उसी तरह इन तरंगों का अतिप्रवाह संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में हस्तक्षेप कर सकता है और मानव स्वास्थ्य के लिए संभावित जोखिम पैदा कर सकता है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक लंबे समय से ऐसे पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो एक स्पंज की तरह काम कर सकें, यानी इन भटकती लहरों को परेशानी पैदा करने से पहले सोख लें। आदर्श सामग्री को पतला, हल्का और विभिन्न सतहों पर लगाया जाने सक के लिए पर्याप्त लचीला होना चाहिए, फिर भी इसे तरंगों की एक विस्तृत श्रृंखला को अवशोषित करने के लिए शक्तिशाली होना चाहिए। दशकों से, शोधकर्ताओं ने चुंबकीय धातुओं को कार्बन के साथ मिलाने का प्रयास किया है, लेकिन ऊर्जा को अवशोषित करने और तरंगों को सामग्री के भीतर प्रवेश करने देने के बीच सही संतुलन खोजने की चुनौती एक कठिन पहेली बनी हुई है।

झेजियांग साइंस एंड टेक यूनिवर्सिटी और चीन के अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक ही हल्के ढांचे में तीन अलग-अलग तत्वों को मिलाकर एक नए प्रकार के फाइबर बनाने के माध्यम से इस समस्या के प्रति एक नया दृष्टिकोण अपनाया है। उन्होंने दो अलग-अलग ऑक्साइड के सूक्ष्म कणों वाले एक घोल से शुरुआत की: एक लोहे का और दूसरा मोलिब्डेनम का, जिसे पॉलीमर समाधान में मिलाया गया था। 'इलेक्ट्रोस्पिनिंग' नामक एक तकनीक का उपयोग करते हुए, जो तरल को अविश्वसनीय रूप से महीन धागों में खींचने के लिए बिजली का उपयोग करती है, उन्होंने इन कणों को फाइबर के एक मैट (चादर) के रूप में बुना। इसके बाद उन्होंने इन रेशों को एक भट्टी में गर्म किया ताकि पॉलीमर को कार्बन में बदला जा सके, जिससे एक मिश्रित सामग्री पीछे रह गई जहाँ आयरन ऑक्साइड और मोलिब्डेनम ऑक्साइड के नैनोकण कार्बन नैनोफाइबर्स के नेटवर्क के भीतर समाहित थे। परिणाम एक 'टर्नरी कंपोजिट' (ternary composite) था, जिसका अर्थ है कि यह तीन कार्यशील भागों से बना है, जिसे विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा को पकड़ने और उसे नष्ट करने के लिए मिलकर काम करने हेतु डिज़ाइन किया गया है।

शोधकर्ताओं ने इस सामग्री के कई विविधताओं का परीक्षण किया, जिसमें उन्होंने मोलिब्डेनम ऑक्साइड की मात्रा को बदलकर यह देखा कि यह प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करता है। उन्होंने पाया कि एक विशिष्ट मिश्रण, जिसे उन्होंने दूसरे नमूने (second sample) के रूप में लेबल किया, सबसे अच्छा प्रदर्शन करता है। प्रयोगशाला सेटिंग में परीक्षण करने पर, इस अनुकूलित सामग्री ने उल्लेखनीय दक्षता के साथ विद्युत चुम्बकीय तरंगों को अवशोषित किया। केवल 2.00 मिलीमीटर की मोटाई पर, इसने 10.56 गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्ति पर तरंगों के परावर्तन को न्यूनतम -40.90 डेसिबल तक कम कर दिया। इसे समझने के लिए, यदि मान -10 डेसिबल से कम है, तो इसका अर्थ है कि सामग्री टकराने वाली तरंगों में से 90 प्रतिशत से अधिक को सोख लेती है; इस नमूने ने लगभग सभी को सोख लिया। इससे भी अधिक प्रभावशाली बात यह है कि जब शोधकर्ताओं ने इस परत को थोड़ा पतला करके 1.50 मिलीमीटर कर दिया, तब भी यह सामग्री आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला को अवशोषित कर सकती थी, जो 5.76 गीगाहर्ट्ज़ के बैंडविड्थ को कवर करती है। यह सीमा महत्वपूर्ण है क्योंकि इसमें 'कु बैंड' (Ku band) का लगभग पूरा हिस्सा शामिल है, जो उपग्रह संचार और रडार प्रणालियों के लिए उपयोग किया जाने वाला स्पेक्ट्रम का एक विशिष्ट हिस्सा है।

इस सामग्री की सफलता इसके तीन घटकों के बीच होने वाली परस्पर क्रिया से आती है। कार्बन नैनोफाइबर्स एक चालक नेटवर्क प्रदान करते हैं जो इलेक्ट्रॉनों को स्वतंत्र रूप से घूमने की अनुमति देता है, जिससे ऊर्जा हानि का एक प्रकार उत्पन्न होता है जिसे 'कंडक्टिव लॉस' (conductive loss) कहा जाता है। आयरन ऑक्साइड नैनोकण चुंबकीय गुण जोड़ते हैं, जिससे सामग्री तरंगों के चुंबकीय हिस्से के साथ अंतःक्रिया कर पाती है। मोलिब्डेनम ऑक्साइड विद्युत गुणों को ट्यून करने में मदद करता है और कई सूक्ष्म इंटरफेस (सीमाएं) बनाता जहाँ विभिन्न सामग्रियां आपस में मिलती हैं। ये इंटरफेस तरंगों के लिए जाल का काम करते हैं, जिससे वे बिखर जाती हैं और 'पोलराइजेशन' (polarization) नामक प्रक्रिया के माध्यम से ऊर्जा खो देती हैं। शोधकर्ताओं ने देखा कि इन प्रभावों के संयोजन ने एक आदर्श संतुलन बनाया: सामग्री ऊर्जा को अवशोषित करने के लिए पर्याप्त चालक थी, लेकिन इतनी अधिक चालक नहीं थी कि तरंगों को दर्पण की तरह वापस परावर्तित कर दे। यह संतुलन, जिसे 'इम्पीडेंस मैचिंग' (impedance matching) कहा जाता है, तरंगों को सामग्री के भीतर प्रवेश करने और सतह से टकराकर वापस उछलने के बजाय नष्ट होने की अनुमति देता है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये निष्कर्ष केवल प्रयोगशाला तक सीमित न रहें, टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया ताकि यह मॉडल किया जा सके कि वास्तविक दुनिया के परिदृश्य में यह सामग्री कैसा व्यवहार करेगी। उन्होंने एक रडार प्रणाली का अनुकरण किया जो उनके नए पदार्थ से लेपित एक लक्ष्य का पता लगाती है। परिणामों ने दिखाया कि इस सामग्री ने रडार क्रॉस-सेक्शन को काफी कम कर दिया, जो किसी वस्तु की रडार दृश्यता का एक माप है। एक खाली धातु की सतह एक मजबूत संकेत परावर्तित करती है, लेकिन इस नए फाइबर कंपोजिट से लेपित होने पर, परावर्तित संकेत काफी कम हो गया, जिससे वस्तु का पता लगाना बहुत कठिन हो गया। यह सुझाव देता है कि यह सामग्री व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक प्रभावी हो सकती है, जैसे कि विमानों या इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को लेपित करना ताकि हस्तक्षेप को रोका जा सके या उनके रडार सिग्नेचर को कम किया जा सके।

अध्ययन ने यह भी स्पष्ट किया कि क्या चीज़ अनुकूलित मिश्रण की तरह अच्छी तरह से काम नहीं करती है। जब शोधकर्ताओं ने इसमें बहुत अधिक मोलिब्डेनम ऑक्साइड मिलाया, तो सामग्री की तरंगों को अवशोषित करने की क्षमता कम हो गई। अतिरिक्त गैर-चुंबकीय सामग्री ने आयरन ऑक्साइड द्वारा प्रदान किए गए चुंबकीय गुणों को पतला कर दिया, जिससे समग्र प्रदर्शन कमजोर हो गया। इस निष्कर्ष ने इस विचार को खारिज कर दिया कि केवल एक घटक को अधिक जोड़ने से हमेशा बेहतर परिणाम मिलेंगे; इसके बजाय, इसने उस सटीक अनुपात को खोजने के महत्व पर प्रकाश डाला जहाँ चुंबकीय और डाइलेक्ट्रिक गुण एक-दूसरे के पूरक हों। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि सामग्री का प्रदर्शन तंत्रों के एक तालमेल (synergy) द्वारा संचालित था, जिसमें इलेक्ट्रॉनों की गति, चुंबकीय अनुनाद (magnetic resonance), और विभिन्न कणों के बीच की सीमाओं पर तरंगों का बिखराव शामिल है।

इलेक्ट्रोस्पिनिंग को उच्च-तापमान कार्बनिकरण (carbonization) के साथ जोड़कर, टीम ने एक ऐसा तरीका प्रदर्शित किया है जिससे एक ऐसी सामग्री बनाई जा सकती है जो पतली और शक्तिशाली दोनों है। अंतिम उत्पाद एक लचीला, हल्का फाइबर मैट है जिसे विशिष्ट आवृत्तियों को अवशोषित करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। हालांकि अध्ययन में इस सामग्री के प्रयोगशाला निर्माण और परीक्षण पर ध्यान केंद्रित किया गया था, सिमुलेशन उच्च-आवृत्ति वाले वातावरण में व्यावहारिक उपयोग की ओर एक स्पष्ट मार्ग दिखाते हैं। यह कार्य अगली पीढ़ी की विद्युत चुम्बकीय सुरक्षा सामग्री विकसित करने के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है, जो यह सिद्ध करता है कि सामान्य तत्वों का एक सावधानीपूर्वक संतुलित मिश्रण भारी या बोझिल घटकों की आवश्यकता के बिना तरंग अवशोषण की जटिल समस्याओं को हल कर सकता है।