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

आधुनिक जीवन अदृश्य तरंगों से भरा हुआ है। हमारी जेबों में रखे स्मार्टफोन से लेकर हमारी दीवारों में लगे राउटर्स तक, हम लगातार विद्युत चुम्बकीय विकिरण (इलेक्ट्रोमैग्नेटिक रेडिएशन) से घिरे हुए हैं। जबकि ये तरंगें उस डेटा को ले जाती हैं जो हमारी डिजिटल दुनिया को शक्ति प्रदान करती है, वे एक प्रकार का प्रदूषण भी पैदा करती हैं। जब बहुत अधिक सिग्नल एक ही स्थान पर भीड़ लगाते हैं, तो वे एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप कर सकते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉनिक उपकरण खराब हो सकते हैं या डेटा खो सकता है। यह घटना, जिसे इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरफेरेंस (विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप) कहा जाता है, तकनीक के अधिक सघन और शक्तिशाली होने के साथ एक बढ़ती समस्या है। संवेदनशील उपकरणों की सुरक्षा के लिए, इंजीनियरों को ऐसे पदार्थों की आवश्यकता होती है जो एक ढाल (शील्ड) के रूप में कार्य कर सकें, इन भटकती तरंगों को पकड़ सकें और उन्हें गुजरने से रोक सकें। सबसे प्रभावी ढाल केवल तरंगों को वापस उछालती नहीं है; इसके बजाय, वे ऊर्जा को अवशोषित करती हैं और उसे हानिरहित ऊष्मा में बदल देती हैं, जिससे विकिरण को पर्यावरण में वापस परावर्तित होने से रोका जा सके।

भारत में शोधकर्ताओं की एक टीम इस समस्या को हल करने के लिए डिज़ाइन किए गए एक नए प्रकार के पदार्थ पर काम कर रही है। उन्होंने स्पिनल फेराइट्स (स्पिनल फेराइट्स) नामक चुंबकीय यौगिकों के एक विशिष्ट वर्ग पर ध्यान केंद्रित किया। ये सिरेमिक जैसे पदार्थ हैं जो स्वाभाविक रूप से चुंबकीय क्षेत्रों और बिजली के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या वे गैडोलीनियम (गैडोलीनियम) नामक एक दुर्लभ तत्व को जोड़कर इन पदार्थों में सुधार कर सकते हैं। मैग्नीशियम, निकल और एल्युमीनियम से बने आधार में गैडोलीनियम की सूक्ष्म मात्रा मिलाकर, उन्होंने एक नया सम्मिश्र (कंपोजिट) बनाया। फिर उन्होंने इस मिश्रण को बहुत पतली फिल्मों में बदल दिया, जो केवल पचास माइक्रोमीटर मोटी थी, जो लगभग एक मानव बाल की चौड़ाई के बराबर है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह विशिष्ट संयोजन माइक्रोवेव आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला को, विशेष रूप से रडार और उच्च गति संचार में उपयोग की जाने वाली आवृत्तियों को, बिना परावर्तित किए अवशोषित कर सकता है।

प्रक्रिया 'सॉल्यूशन कम्बशन' (विलयन दहन) नामक विधि के साथ शुरू हुई। शोधकर्ताओं ने पानी में ग्लूकोज और यूरिया जैसे ईंधन के साथ धातु नाइट्रेटों की सटीक मात्रा मिलाई। जब इसे गर्म किया गया, तो यह एक नियंत्रित प्रतिक्रिया में प्रज्वलित हो गया, जिससे नए फेराइट नैनोकणों का एक महीन काला पाउडर पीछे रह गया। फिर उन्होंने इस पाउडर को एक तरल विलायक में निलंबित किया और इसे प्लास्टिक की शीटों पर कोट किया ताकि पतली फिल्में बन सकें। यह सुनिश्चित करने के लिए कि सामग्री शुद्ध और सुव्यवस्थित है, टीम ने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और एक्स-रे मशीनों से इसकी जांच की। उन्होंने पाया कि कण लगभग पचास नैनोमीटर आकार के थे, और गैडोलीनियम के जुड़ने से कणों को एक समान क्रिस्टल संरचना में व्यवस्थित होने में मदद मिली। यह सामग्री उच्च तापमान तक गर्म होने पर भी स्थिर रही, जिसका वजन बहुत कम हुआ, जो यह दर्शाता है कि यह कठोर वातावरण में जीवित रह सकती है।

सबसे महत्वपूर्ण खोज तब हुई जब टीम ने यह परीक्षण किया कि ये फिल्में विद्युत चुम्बकीय तरंगों को कितनी अच्छी तरह रोकती हैं। उन्होंने आठ से अठारह गीगाहर्ट्ज़ की एक विस्तृत श्रृंखला में इन फिल्मों का परीक्षण किया। परिणामों ने दिखाया कि फिल्में तरंगों को परावर्तित करने के बजाय उन्हें अवशोषित करने में असाधारण रूप से अच्छी थीं। सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाला नमूना, जिसमें गैडोलीनियम की उच्चतम मात्रा थी, उसने आने वाले विकिरण के लगभग ९९.८९ प्रतिशत को रोक दिया। तकनीकी शब्दों में, यह प्रदर्शन नकारात्मक २६.२५ डेसिबल की शिल्डिंग प्रभावशीलता के अनुरूप है। यह प्रदर्शन स्तर इसलिए प्राप्त किया गया क्योंकि गैडोलीनियम परमाणुओं ने सामग्री के भीतर इलेक्ट्रॉनों की गति को बदल दिया, जिससे विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा को ऊष्मा में परिवर्तित करने के अधिक अवसर पैदा हुए। सामग्री में बिजली का संचालन करने की उच्च क्षमता भी देखी गई, जिसने तरंगों को पकड़ने और उन्हें नष्ट करने में और मदद की।

तरंगों को रोकने के अलावा, शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि समय के साथ यह सामग्री कैसा व्यवहार करती है। उन्होंने सबसे अच्छे नमूने को साठ दिनों तक हवा और विकिरण के संपर्क में छोड़ा और पाया कि इसका प्रदर्शन लगभग अपरिवर्तित रहा, जिसमें केवल दो प्रतिशत की गिरावट आई। यह स्थिरता वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है जहाँ सामग्रियों को बिना खराब हुए वर्षों तक विश्वसनीय रूप से कार्य करना होता है। टीम ने यह भी मापा कि तरंगें कितनी गहराई तक सामग्री में प्रवेश कर सकती हैं, जिससे पता चला कि तरंगें सतह के बहुत करीब ही रुक जाती हैं। यह इंगित करता है कि सामग्री वहीं ऊर्जा को अवशोषित करने में अत्यधिक कुशल है जहाँ वह टकराती है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि ये गैडोलीनियम-डोप की गई फिल्में रक्षा प्रणालियों और संचार नेटवर्क में इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की सुरक्षा के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार हैं। एक सामान्य सिरेमिक सामग्री को सरल रासायनिक ट्यूनिंग के माध्यम से एक अत्यधिक कुशल अवशोषक में बदलकर, शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरफेरेंस की बढ़ती चुनौती के लिए एक संभावित समाधान प्रदान किया है।