Tuning the Electromagnetic Response of Co₂Y Hexaferrites through Ni–Zn Substitution and Graphite Addition
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि Ba₂Co₂₋ₓNiₓ/₂Znₓ/₂Fe₁₂O₂₂ हेक्साफेराइट्स में एक साथ Ni–Zn प्रतिस्थापन और नियंत्रित ग्रेफाइट संयोजन, चुंबकीय अनुनाद और प्रतिबाधा मिलान को प्रभावी ढंग से ट्यून करता है, जिससे 3.0 मिमी की कम मोटाई पर 4.0 GHz के व्यापक प्रभावी बैंडविड्थ के साथ माइक्रोवेव अवशोषण प्रदर्शन में महत्वपूर्ण वृद्धि होती है।
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हमारे चारों ओर की अदृश्य दुनिया में, विद्युत चुम्बकीय तरंगें रेडियो प्रसारण से लेकर हमारे फोन के माध्यम से बहते डेटा तक सब कुछ ले जाती हैं। जबकि ये तरंगें आधुनिक जीवन के लिए आवश्यक हैं, वे हस्तक्षेप का एक स्रोत भी बन सकती हैं, जो इमारतों और इलेक्ट्रॉनिक्स से टकराकर एक अराजक बैकग्राउंड शोर पैदा करती हैं जो संकेतों को बाधित करती है और सुरक्षा से समझौता करती है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक ऐसे सामग्रियां विकसित करते हैं जो इन तरंगों के लिए स्पंज की तरह कार्य करती हैं, ऊर्जा को अवशोषित करती हैं और उसे पर्यावरण में वापस परावर्तित होने देने के बजाय हानिरहित ऊष्मा में बदल देती हैं। इन सामग्रियों में से एक आशाजनक वर्ग हेक्साफेराइट (hexaferrites) नामक क्रिस्टल समूह है। ये चुंबकीय यौगिक हैं जो स्वाभाविक रूप से विद्युत चुम्बकीय तरंगों के साथ अंतःक्रिया करते हैं, लेकिन उनका व्यवहार अक्सर विशिष्ट आवश्यकताओं के लिए बहुत कठोर होता है। वे केवल एक संकीर्ण आवृत्ति पर ऊर्जा को अवशोषित करते हैं, जैसे कि एक रेडियो जो केवल एक ही स्टेशन पर ट्यून किया गया हो, जिससे अन्य आवृत्तियाँ या तो गुजर जाती हैं या टकराकर वापस चली जाती हैं। शोधकर्ताओं के लिए चुनौती इन सामग्रियों को इस तरह से ट्यून करना है ताकि वे बिना अत्यधिक मोटे हुए, रडार और संचार में उपयोग किए जाने वाले माइक्रोवेव बैंड सहित आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला को निगल सकें।
मालक अश्तर प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय, ईरान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन चुंबकीय क्रिस्टल की रासायनिक संरचना बदलकर और एक सामान्य, प्रवाहकीय सामग्री जोड़कर इन्हें परिष्कृत करने का प्रयास किया। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के हेक्साफेराइट पर ध्यान केंद्रित किया जिसे Y-टाइप कहा जाता है, जो एक सपाट तल के भीतर अपनी चुंबकीय दिशा को आसानी से घुमाने की क्षमता के लिए जाना जाता है। इन क्रिस्टल को अधिक बहुमुखी बनाने के लिए, वैज्ञानिकों ने क्रिस्टल संरचना के भीतर कुछ कोबाल्ट परमाणुओं को निकल (nickel) और जिंक (zinc) के मिश्रण से बदल दिया। यह प्रतिस्थापन इस सामग्री के चुंबकीय गुणों को नरम करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जिससे चुंबकीय तरंगों के लिए इसके माध्यम से गुजरना आसान हो सके। उन्होंने मिश्रण में ग्रेफाइट (graphite), जो कार्बन का एक रूप है, की थोड़ी मात्रा भी शामिल की। लक्ष्य सामग्री की बिजली का संचालन करने की क्षमता और उसके चुंबकीय गुणों के बीच संतुलन बनाना था, जिससे एक ऐसा मिश्रित पदार्थ तैयार हो सके जो तरंगों को अधिक प्रभावी ढंग से और पतले प्रोफाइल के साथ अवशोषित कर सके।
शोधकर्ताओं ने निकल और जिंक की विभिन्न मात्राओं के साथ इन हेक्साफेराइट्स की एक श्रृंखला बनाई, जिसमें शून्य से लेकर कोबाल्ट के पूर्ण प्रतिस्थापन तक का दायरा था। उन्होंने धातु के घोल को साइट्रिक एसिड के साथ मिलाकर एक जेल बनाने की सटीक रासायनिक प्रक्रिया का उपयोग करके इन पाउडरों का संश्लेषण किया, जिसे फिर अंतिम क्रिस्टल संरचना बनाने के लिए सुखाया और उच्च तापमान पर पकाया गया। बेकिंग तापमान को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, उन्होंने यह सुनिश्चित किया कि क्रिस्टल सही ढंग से बनें, हालांकि उन्होंने पाया कि नए धातु मिश्रण की अधिक मात्रा को शुद्ध क्रिस्टल संरचना प्राप्त करने के लिए अधिक गर्म ओवन की आवश्यकता थी। जब उन्होंने सूक्ष्मदर्शी के नीचे परिणामी कणों का परीक्षण किया, तो उन्होंने इन हेक्साफेराइट्स का विशिष्ट सपाट, प्लेट जैसा आकार देखा। जैसे-जैसे उन्होंने निकल और जिंक की मात्रा बढ़ाई, कण बड़े और मोटे होते गए, विशेष रूप से उस नमूने में जिसमें सर्वाधिक प्रतिस्थापन था और जिसे उच्चतम तापमान पर पकाया गया था।
जब टीम ने इन नई सामग्रियों के चुंबकीय व्यवहार का परीक्षण किया, तो उन्होंने एक स्पष्ट बदलाव देखा। मूल क्रिस्टल काफी "कठोर" थे, जिसका अर्थ था कि वे अपनी चुंबकीय दिशा में परिवर्तन का विरोध करते थे। जैसे ही निकल और जिंक मिलाया गया, सामग्री "नरम" हो गई, जिससे इसकी चुंबकीय दिशा को बदलना बहुत आसान हो गया। यह मृदुकरण (softening) क्रिस्टल के भीतर हुए रासायनिक परिवर्तनों का सीधा परिणाम था। हालांकि, वह आवृत्ति जिस पर सामग्री विद्युत चुम्बकीय तरंगों के साथ अनुनाद (resonate) करती थी, एक सरल सीधी रेखा का पालन नहीं करती थी। इसके बजाय, प्रतिध्वनि आवृत्ति (resonance frequency) मध्यम मात्रा में निकल और जिंक जोड़ने पर एक शिखर तक ऊपर उछली, और प्रतिस्थापन बढ़ने के साथ फिर से नीचे गिर गई। इस गैर-रैखिक व्यवहार ने सुझाव दिया कि आंतरिक चुंबकीय बल जटिल तरीके से बदल रहे हैं, जो इस बात से प्रभावित हैं कि विभिन्न परमाणु क्रिस्टल लैटिस के भीतर खुद को कैसे व्यवस्थित करते हैं।
यह समझने के लिए कि ये सामग्रियां माइक्रोवेव को कितनी अच्छी तरह अवशोषित कर सकती हैं, शोधकर्ताओं ने हेक्फेराइट पाउडर को पैराफिन वैक्स के साथ मिलाकर ठोस ब्लॉक बनाए और 1 से 18 गीगाहर्ट्ज़ की रेंज में तरंगों से टकराने वाली ऊर्जा के परावर्तन को मापा। उन्होंने पाया कि निकल और जिंक के उच्चतम प्रतिस्थापन वाली सामग्री शुद्ध फेराइट्स में सबसे अच्छा प्रदर्शन करती है। यह आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला को अवशोषित कर सकती थी, जो 3.7 गीगाहर्ट्ज़ की बैंडविड्थ को कवर करती है, लेकिन इसके लिए 4.5 मिलीमीटर की मोटाई की आवश्यकता थी। हालांकि यह एक सुधार था, शोधकर्ता जानते थे कि कई व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए, एक पतला अवशोषक अधिक उपयुक्त होगा।
यहीं पर ग्रेफाइट का योगदान आया। टीम ने अपने सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन करने वाले फेराइट मिश्रण को लिया और उसमें ग्रेफाइट की थोड़ी मात्रा, विशेष रूप से चुंबकीय भराव के कुल वजन का 8 प्रतिशत जोड़ा। इस जुड़ाव ने मिश्रित पदार्थ के विद्युत गुणों को बदल दिया, जिससे इसकी बिजली का संचालन करने की क्षमता थोड़ी बढ़ गई, बिना इतना प्रवाहकीय हुए कि यह धातु के दर्पण की तरह तरंगों को परावर्तित कर दे। परिणाम एक महत्वपूर्ण सुधार था। नया मिश्रित पदार्थ, जिसमें केवल 8 प्रतिशत ग्रेफाइट है, समान विस्तृत रेंज की आवृत्तियों को अवशोषित कर सकता था, लेकिन बहुत पतले 3.0 मिलीमीटर के प्रोफाइल पर। इसके अलावा, 5.1 गीगाहर्ट्ज़ की एक विशिष्ट आवृत्ति पर, इस पतली परत ने इतनी ऊर्जा अवशोषित की कि परावर्तन हानि (reflection loss) न्यूनतम -38 डेसिबल तक पहुँच गई, जिसका अर्थ है कि इसने आने वाली तरंग का 99.99 प्रतिशत हिस्सा अवशोषित कर लिया।
शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि यदि वे और अधिक ग्रेफाइट जोड़ते हैं तो क्या होगा। जब उन्होंने ग्रेफाइट की मात्रा बढ़ाकर 15 या 25 प्रतिशत कर दी, तो अवशोषण प्रदर्शन ढह गया। सामग्री बहुत अधिक प्रवाहकीय हो गई, जिससे तरंगें सामग्री के अंदर अवशोषित होने के लिए प्रवेश करने से पहले ही सतह से टकराकर वापस लौट गईं। इसने पुष्टि की कि सफलता की कुंजी एक नाजुक संतुलन में निहित थी: पर्याप्त ग्रेफाइट जो तरंग के अंदर जाने के बाद ऊर्जा को नष्ट करने में मदद करे, लेकिन इतना अधिक नहीं कि वह तरंग को प्रवेश करने से ही रोक दे। अध्ययन ने प्रदर्शित किया कि चुंबकीय क्रिस्टल की रासायनिक संरचना को सावधानीपूर्वक ट्यून करके और प्रवाहकीय कार्बन की सटीक मात्रा जोड़कर, विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप के खिलाफ एक पतला, कुशल कवच बनाना संभव है। निष्कर्ष बताते हैं कि रासायनिक प्रतिस्थापन और प्रवाहकीय जुड़ाव का यह दोहरा दृष्टिकोण उन्नत सामग्रियां डिजाइन करने के लिए एक विश्वसनीय मार्ग प्रदान करता है जो पारंपरिक शील्डिंग के भारीपन के बिना संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक्स और सुरक्षित संचार की रक्षा कर सकते हैं।
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