Construction of 0D/2D M/rGO@EuMOF Multiscale Heterostructures for Integrated High-Efficiency Microwave Absorption and Corrosion Protection

Nel complesso mondo dell'ingegneria della difesa e marina moderna, i materiali affrontano una doppia minaccia che è difficile da risolvere simultaneamente. Da un lato, i sistemi radar avanzati possono rilevare oggetti da distanze enormi, rendendo la furtività un requisito critico per navi e aeromobili. Per nascondersi, questi mezzi necessitano di rivestimenti in grado di "ingoiare" le onde radar invece di farle rimbalzare. Dall'altro lato, l'oceano stesso è un nemico implacabile. L'acqua salata e l'umidità attaccano costantemente le superfici metalliche, causando ruggine e decadimento strutturale che possono alla fine distruggere un'imbarcazione. Per decenni, gli scienziati hanno lottato per creare un singolo materiale capace di svolgere entrambi i compiti: assorbire l'energia elettromagnetica per rimanere invisibile e formare una barriera resistente per fermare la corrosione. Di solito, i materiali validi per un compito falliscono nell'altro, o si degradano rapidamente in ambienti ostili.

Un team di ricercatori dell'AVIC Chengdu Aircraft Industrial Group e della Southwest Jiaotong University ha sviluppato un nuovo approccio a questo problema costruendo un materiale composito che combina due tipi distinti di strutture. Hanno creato un sistema ibrido in cui minuscole particelle sferiche sono ancorate su strati piatti e simili a fogli. Questo design permette al materiale di agire come uno scudo sofisticato sia contro le onde radar che contro gli elementi corrosivi del mare. Bilanciando attentamente la quantità di queste particelle, il team ha ottenuto un rivestimento che non solo assorbe i segnali radar con alta efficienza, ma protegge anche l'acciaio dalla ruggine per settimane in acqua salata, offrendo una strada promettente verso attrezzature marine più durevoli e furtive.

I ricercatori sono partiti da un materiale noto come MBene, che è un tipo di foglio bidimensionale composto da ferro, alluminio e boro. Questi fogli sono naturalmente magnetici e conduttivi, proprietà utili per interagire con le onde elettromagnetiche. Per renderli ancora più efficaci, il team ha attaccato uno strato di ossido di grafene ridotto, un materiale di carbonio conduttivo, alla superficie dei fogli di MBene. Ciò ha creato una base conduttiva e magnetica. Il passaggio successivo è stato la crescita di un terzo componente direttamente su questa base: piccole sfere realizzate da un framework organico-metallico contenente l'elemento europio. Queste sfere sono state coltivate in situ tramite un processo idrotermale, il che significa che sono state formate in una soluzione acquosa riscaldata. Il risultato è stato una struttura in cui i fogli piatti fungono da impalcatura per le sfere tridimensionali, creando un'interfaccia multiscala dove i due materiali si incontrano.

Il team ha testato come diverse quantità di sfere di europio influenzassero le prestazioni del materiale. Hanno scoperto che la quantità di sfere era critica. Se ce n'erano troppo poche, il materiale non assorbiva le onde radar così bene quanto avrebbe potuto. Se ce n'erano troppe, le sfere si ammassavano e bloccavano i percorsi conduttivi, facendo sì che il materiale riflettesse le onde invece di assorbirle. Il miglior equilibrio è stato trovato in un campione specifico, che hanno chiamato MG@E3. Questo campione ha raggiunto una perdita di riflessione minima di -54,02 decibel con uno spessore di 2,1 millimetri. In termini pratici, ciò significa che quando le onde radar colpiscono questo rivestimento, quasi tutta l'energia viene assorbita e dissipata sotto forma di calore invece di rimbalzare verso il ricevitore radar. Il materiale ha inoltre mantenuto un ampio intervallo di frequenze in cui è efficace, assorbendo le onde su una larghezza di banda di 4,5 gigahertz con uno spessore di soli 1,4 millimetri.

Il meccanismo alla base di questo successo si basa sull'interazione unica tra i fogli piatti e le sfere. Quando le onde radar entrano nel materiale, la rete conduttiva dei fogli e le proprietà magnetiche dell'MBene aiutano a rallentare e intrappolare le onde. L'interfaccia tra i fogli piatti e le particelle sferiche crea una zona in cui le cariche elettriche si accumulano e oscillano, un processo noto come polarizzazione interfacciale. Questa oscillazione converte l'energia dell'onda radar in calore. Inoltre, le molecole organiche all'interno delle sfere agiscono come centri che disturbano ulteriormente le onde. I ricercatori hanno confermato, attraverso simulazioni al computer, che questa specifica disposizione permette alle onde di entrare nel materiale senza essere riflesse dalla superficie, per poi essere intrappolate e distrutte all'interno.

Oltre alla sua capacità di nascondersi al radar, il materiale si è dimostrato anche un eccellente protettore contro la corrosione. I ricercatori hanno rivestito piastre d'acciaio con il loro materiale composito e le hanno immerse in una soluzione di acqua salata per 21 giorni. Hanno misurato l'efficacia del rivestimento nel prevenire la ruggine dell'acciaio testando la sua resistenza elettrica. Il campione con le migliori prestazioni in questa categoria, MG@E2, ha mantenuto un'efficienza di protezione del 94,8 percento dopo tre settimane in acqua salata. Questo alto livello di protezione deriva dalla struttura fisica del rivestimento. I fogli piatti creano un percorso lungo e tortuoso che il sale corrosivo e l'acqua devono percorrere per raggiungere il metallo sottostante, un fenomeno spesso chiamato effetto labirinto. Le particelle sferiche riempiono i piccoli spazi e i buchi tra i fogli, rendendo la barriera ancora più stretta e difficile da penetrare per gli agenti corrosivi.

Lo studio ha anche esaminato come il materiale si sarebbe comportato in uno scenario reale, simulando la sezione trasversale radar (RCS), ovvero una misura di quanto un oggetto sia visibile al radar. Le simulazioni hanno mostrato che il rivestimento può ridurre la firma radar di un bersaglio di circa 31,85 decibel. Questa significativa riduzione significa che una nave o un aeromobile rivestito con questo materiale apparirebbe molto più piccolo a un sistema radar, rendendolo efficacemente più difficile da rilevare. I ricercatori hanno osservato che le prestazioni del materiale dipendono fortemente dal preciso equilibrio dei suoi componenti. Troppo componente sferico interrompe la rete conduttiva, mentre troppo poco non fornisce abbastanza centri di polarizzazione per assorbire le onde.

Questo lavoro dimostra che è possibile progettare un singolo materiale che affronti due dei problemi più impegnativi della difesa marittima: la furtività e la durabilità. Coltivando particelle sferiche direttamente su fogli magnetici conduttivi, i ricercatori hanno creato un'interfaccia stabile che potenzia sia l'assorbimento elettromagnetico che le proprietà di barriera fisica. Le scoperte suggeriscono che, con un controllo attento della composizione del materiale, è possibile creare rivestimenti che siano non solo efficaci nel nascondere gli oggetti al radar, ma anche abbastanza robusti da resistere alle dure condizioni dell'oceano per periodi prolungati. Lo studio fornisce una chiara base sperimentale per progettare futuri sistemi protettivi che possano operare in modo affidabile in ambienti complessi senza sacrificare una funzione a favore dell'altra.