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

La vita moderna è satura di onde invisibili. Dagli smartphone nelle nostre tasche ai router nelle nostre pareti, siamo costantemente circondati dalle radiazioni elettromagnetiche. Sebbene queste onde trasportino i dati che alimentano il nostro mondo digitale, esse creano anche una forma di inquinamento. Quando troppi segnali affollano lo stesso spazio, possono interferire tra loro, causando malfunzionamenti o perdita di dati nei dispositivi elettronici. Questo fenomeno, noto come interferenza elettromagnetica, è un problema crescente man mano che la tecnologia diventa più densa e potente. Per proteggere le apparecchiature sensibili, gli ingegneri hanno bisogno di materiali che possano agire come uno scudo, catturando queste onde erranti e impedendo loro di passare attraverso. Gli scudi più efficaci non si limitano a far rimbalzare via le onde; invece, assorbono l'energia e la trasformano in calore innocuo, impedendo alla radiazione di riflettersi nuovamente nell'ambiente.

Un team di ricercatori in India ha lavorato su un nuovo tipo di materiale progettato per risolvere questo problema. Si sono concentrati su una specifica classe di composti magnetici chiamati ferriti spinello. Questi sono materiali simili alla ceramica che interagiscono naturalmente con i campi magnetici e l'elettricità. I ricercatori volevano vedere se potevano migliorare questi materiali aggiungendo un elemento raro chiamato gadolinio. Mescolando piccole quantità di gadolinio in una base composta da magnesio, nichel e alluminio, hanno creato un nuovo composito. Hanno poi trasformato questa miscela in pellicole molto sottili, spesse solo cinquanta micrometri, ovvero circa la largia di un capello umano. L'obiettivo era vedere se questa specifica combinazione potesse assorbire una vasta gamma di frequenze a microonde, in particolare quelle utilizzate nei radar e nelle comunicazioni ad alta velocità, senza rifletterle.

Il processo è iniziato con un metodo chiamato combustione in soluzione. I ricercatori hanno mescolato quantità precise di nitrati metallici con combustibili come glucosio e urea in acqua. Quando riscaldata, questa miscela si è accesa in una reazione controllata, lasciando dietro di sé una fine polvere nera di nuove nanoparticelle di ferrite. Hanno poi sospeso questa polvere in un solvente liquido e l'hanno rivestita su fogli di plastica per formare le sottili pellicole. Per garantire che il materiale fosse puro e ben strutturato, il team lo ha esaminato con potenti microscopi e macchine a raggi X. Hanno scoperto che le particelle avevano dimensioni di circa cinquanta nanometri e che l'aggiunta di gadolinio aveva aiutato le particelle ad assestarsi in una struttura cristallina uniforme. Il materiale si è dimostrato stabile anche quando riscaldato ad alte temperature, perdendo pochissimo peso, il che suggerisce che potrebbe sopravvivere in ambienti ostili.

La scoperta più significativa è avvenuta quando il team ha testato quanto bene queste pellicole bloccassero le onde elettromagnetiche. Hanno misurato le pellicole attraverso un ampio intervallo di frequenze, da otto a diciotto gigahertz. I risultati hanno mostrato che le pellicole erano eccezionalmente brave ad assorbire le onde piuttosto che a rifletterle. Il campione con le prestazioni migliori, che conteneva la maggiore quantità di gadolinio, ha bloccato quasi il novantanove virgola ottanta nove percento della radiazione in arrivo. In termini tecnici, ciò corrisponde a un'efficacia di schermatura di meno ventisei virgola due cinque decibel. Questo livello di prestazione è raggiunto perché gli atomi di gadolinio hanno alterato il modo in cui gli elettroni si muovono all'interno del materiale, creando più opportunità per la conversione dell'energia elettromagnetica in calore. Il materiale ha mostrato anche un'alta capacità di condurre elettricità, il che ha ulteriormente aiutato a intrappolare e dissipare le onde.

Oltre a bloccare le onde, i ricercatori hanno osservato come si comportava il materiale nel tempo. Hanno lasciato il miglior campione esposto all'aria e alle radiazioni per sessanta giorni e hanno scoperto che le sue prestazioni rimanevano quasi invariate, con un calo di solo due percento. Questa stabilità è cruciale per le applicazioni nel mondo reale, dove i materiali devono funzionare in modo affidabile per anni senza degradarsi. Il team ha anche misurato quanto profondamente le onde potessero penetrare nel materiale, scoprendo che le onde venivano fermate molto vicino alla superficie. Ciò indica che il materiale è altamente efficiente nell'assorbire l'energia proprio nel punto in cui la colpisce. Lo studio conclude che queste pellicole drogate con gadolinio sono un candidato promettente per proteggere i dispositivi elettronici nei sistemi di difesa e nelle reti di comunicazione. Trasformando un comune materiale ceramico in un assorbitore altamente efficiente attraverso una semplice regolazione chimica, i ricercatori hanno fornito una potenziale soluzione alla crescente sfida dell'interferenza elettromagnetica.