Preparation and Microwave Absorption Properties of Graphene/Pure Ferrite Composite Absorbers

Nel mondo invisibile che ci circonda, le onde radio e le microonde trasportano le nostre chiamate cellulari, i segnali Wi-Fi e i dati radar. Sebbene facciamo affidamento su queste onde per connetterci, esse possono anche rappresentare un fastidio o un pericolo quando rimbalzano sulle superfici creando interferenze, o quando rivelano la posizione di apparecchiature sensibili. Per gestire questo problema, gli scienziati sviluppano materiali speciali progettati per "ingoiare" queste onde invece di lasciare che rimbalzino indietro. I materiali più efficaci devono spesso bilanciare due tratti contrastanti: la capacità di condurre elettricità e la capacità di interagire con i campi magnetici. I materiali a base di carbonio sono eccellenti nel condurre elettricità e nell'assorbire le onde attraverso l'attrito elettrico, ma spesso riflettono troppa energia sulla superficie prima che possa essere assorbita. I materiali magnetici, d'altro canto, sono ottimi nel assorbire l'energia attraverso le interazioni magnetiche, ma sono spesso pesanti e mancano della conducibilità elettrica necessaria per una vasta gamma di frequenze. La sfida consiste nel combinare questi due tipi di materiali in una singola sostanza leggera che possa gestire una grande varietà di frequenze d'onda senza rifletterle via.

I ricercatori dell'Istituto di Scienza e Tecnologia di Liaoning, in Cina, hanno compiuto un passo verso la risoluzione di questo problema creando un nuovo tipo di materiale composito che mescola il grafene con la ferrite pura. Il grafene è una forma di carbonio disposta in uno strato singolo di atomi, noto per la sua resistenza e la sua conducibilità elettrica. La ferrite è un tipo di materiale ceramico magnetico che interagisce fortemente con i campi magnetici. Il team ha utilizzato un processo chiamato sintesi idrotermale, che consiste nel riscaldare una miscela di acqua e prodotti chimici in un contenitore sigillato per far crescere il materiale. Hanno mescolato grafene e ferrite in diverse proporzioni per vedere come l'equilibrio tra i due componenti influenzasse la capacità del materiale di assorbire le microonde. L'obiettivo era trovare una ricetta specifica in cui le proprietà elettriche del grafene e le proprietà magnetiche della ferrite lavorassero perfettamente insieme, permettendo alle onde di entrare nel materiale e rimanere intrappolate all'interno invece di rimbalzare sulla superficie.

Il team ha creato sei diversi campioni, che vanno da quelli con prevalenza di grafene a quelli con prevalenza di ferrite. Hanno esaminato la struttura microscopica di questi campioni e hanno scoperto che le particelle di ferrite, che sono minuscole sfere di dimensioni comprese tra 0,1 e 0,5, si sono depositate uniformemente sulle superfici rugose dei fogli di grafene. Questa disposizione ha impedito ai fogli di grafene di agglomerarsi e ha creato una vasta rete di confini dove i due materiali si incontrano. Questi confini sono cruciali perché agiscono come siti in cui le cariche elettriche possono accumularsi e rilasciare energia sotto forma di calore. Man mano che i ricercatori aumentavano la quantità di ferrite nella miscela, la capacità del materiale di interagire con i campi magnetici cresceva, mentre la sua conducibilità elettrica diminuiva leggermente. Questo spostamento era esattamente ciò di cui c'era bisogno per migliorare le prestazioni complessive del materiale.

Quando i ricercatori hanno testato quanto bene questi materiali assorbissero le microonde, hanno scoperto che il campione con la maggiore quantità di ferrite era quello con le prestazioni migliori. Questa miscela specifica, contenente una parte di grafene e tre parti di ferrite, ha raggiunto il suo picco di prestazione a uno spessore di 3 millimetri. A una frequenza di 11,8 gigahertz, questo campione ha assorbito così tanta energia che solo una minuscola frazione dell'onda è stata riflessa, registrando una perdita di riflessione di –23,8 decibel. Per dare un termine di paragone, una perdita di riflessione di –10 decibel è lo standard di riferimento per un buon assorbitore, il che significa che assorbe il 90 percento dell'onda incidente. Questo nuovo materiale è andato ben oltre quello standard, assorbendo più del 99 percento dell'onda alla sua frequenza di picco. Inoltre, ha mantenuto questo alto livello di assorbimento attraverso una vasta gamma di frequenze, coprendo un intervallo di 3,7 gigahertz, che è un'ampiezza significativa per un singolo materiale.

Il successo di questo materiale deriva da un delicato equilibrio tra il modo in cui gestisce l'elettricità e il magnetismo. Il grafene fornisce un percorso per il flusso delle correnti elettriche, creando attrito che trasforma l'energia dell'onda in calore. Le particelle di ferrite interagiscono con la parte magnetica dell'onda, creando un tipo diverso di attrito che genera comunque calore. Quando questi due meccanismi lavorano insieme, permettono all'onda di entrare facilmente nel materiale senza rimbalzare sulla superficie, e poi di dissipare la sua energia rapidamente mentre viaggia attraverso di esso. I ricercatori hanno osservato che anche i difetti e le imperfezioni sulla superficie del grafene e della ferrite giocavano un ruolo, agendo come trappole aggiuntive per le onde. Calibrando attentamente il rapporto tra i due ingredienti, il team è riuscito a creare un materiale che è al contempo leggero e altamente efficiente, offrendo una strada promettente per lo sviluppo di migliori rivestimenti stealth e schermature elettromagnetiche.