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

In de onzichtbare wereld om ons heen dragen radiogolven en microgolven onze telefoongesprekken, Wi-Fi-signalen en radargegevens. Hoewel we op deze golven vertrouwen om verbinding te maken, kunnen ze ook een last of een gevaar vormen wanneer ze van oppervlakken afketsen en interferentie veroorzaken, of wanneer ze de locatie van gevoelige apparatuur onthullen. Om dit te beheersen, ontwikkelen wetenschappers speciale materialen die ontworft zijn om deze golven te absorberen in plaats van ze te laten terugkaatsen. De meest effectieve materialen moeten vaak twee concurrerende eigenschappen in balans houden: het vermogen om elektriciteit te geleiden en het vermogen om met magnetische velden te interageren. Koolstofgebaseerde materialen zijn uitstekend in het geleiden van elektriciteit en het absorberen van golven door elektrische wrijving, maar ze reflecteren vaak te veel energie aan het oppervlak voordat het geabsorbeerd kan worden. Magnetische materialen zijn daarentegen goed in het opzuigen van energie door magnetische interacties, maar ze zijn vaak zwaar en missen de elektrische geleidbaarheid die nodig is voor een breed scala aan frequenties. De uitdaging ligt in het combineren van deze twee soorten materialen tot één enkele, lichtgewicht substantie die een grote verscheidenheid aan golf frequenties kan verwerken zonder ze weg te reflecteren.

Onderzoekers aan het Liaoning Institute of Science and Technology in China hebben een stap gezet naar het oplossen van dit probleem door een nieuw type composietmateriaal te creëren dat grafeen mengt met zuiver ferriet. Grafeen is een vorm van koolstof gerangschikt in een enkele laag atomen, bekend om zijn sterkte en elektrische geleidbaarheid. Ferriet is een type magnetisch keramisch materiaal dat sterk reageert op magnetische velden. Het team gebruikte een proces genaamd hydrothermische synthese, wat inhoudt dat een mengsel van water en chemicaliën in een afgesloten container wordt verhit om het materiaal te laten groeien. Ze mengden grafeen met ferriet in verschillende verhoudingen om te zien hoe de balans tussen de twee componenten de absorptiecapaciteit van het materiaal beïnvloedde. Het doel was om een specifiek recept te vinden waarbij de elektrische eigenschappen van het grafeen en de magnetische eigenschappen van het ferriet perfect samenwerkten, waardoor golven het materiaal in kunnen gaan en erin gevangen kunnen worden in plaats van van het oppervlak af te kaatsen.

Het team maakte zes verschillende monsters, variërend van monsters met voornamelijk grafeen tot monsters met voornamelijk ferriet. Ze onderzochten de microscopische structuur van deze monsters en ontdekten dat de ferrietdeeltjes, die minuscule sferen waren tussen de 0,1 en 0,5 in grootte, zich gelijkmatig op de gerimpelde oppervlakken van de grafeenplaten hadden genesteld. Deze rangschikking voorkwam dat de grafeenplaten samenklonterden en creëerde een uitgebreid netwerk van grensvlakken waar de twee materialen elkaar ontmoetten. Deze grensvlakken zijn cruciaal omdat ze fungeren als locaties waar elektrische ladingen zich kunnen ophopen en energie kunnen vrijgeven als warmte. Terwijl de onderzoekers de hoeveelheid ferriet in het mengsel verhoogden, nam het vermogen van het materiaal om met magnetische velden te interageren toe, terwijl de elektrische geleidbaarheid licht afnam. Deze verschuiving was precies wat nodig was om de algehele prestaties van het materiaal te verbeteren.

Toen de onderzoekers testten hoe goed deze materialen microgolven absorbeerden, ontdekten ze dat het monster met de hoogste hoeveelheid ferriet het beste presteerde. Dit specifieke mengsel, bestaande uit één deel grafeen op drie delen ferriet, bereikte zijn piekprestatie bij een dikte van 3 millimeter. Bij een frequentie van 11,8 gigahertz absorbeerde dit monster zoveel energie dat slechts een fractie van de golf werd gereflecteerd, wat een reflectieverlies van –23,8 decibel registreerde. Om dit in perspectief te plaatsen: een reflectieverlies van –10 decibel is de standaardbenchmark voor een goede absorber, wat betekent dat het 90 procent van de inkomende golf opzuigt. Dit nieuwe materiaal ging ver voorbij die standaard en absorbeerde meer dan 99 procent van de golf bij zijn piekfrequentie. Bovendien behield het dit hoge absorptieniveau over een breed bereik van frequenties, een bereik van 3,7 gigahertz, wat een aanzienlijke breedte is voor een enkel materiaal.

Het succes van dit materiaal komt voort uit een delicaat evenwicht tussen hoe het met elektriciteit en magnetisme omgaat. Het grafeen biedt een pad voor elektrische stromen om te stromen, wat wrijving creëert die golfenergie in warmte omzet. De ferrietdeeltjes interageren met het magnetische deel van de golf, wat een ander soort wrijving creëert die ook warmte genereert. Wanneer deze twee mechanismen samenwerken, zorgen ze ervoor dat de golf gemakkelijk het materiaal in kan gaan zonder van het oppervlak af te kaatsen, en vervolgens zijn energie snel dissipeert terwijl hij erdoorheen reist. De onderzoekers observeerden dat de defecten en imperfecties op het oppervlak van het grafeen en ferriet ook een rol speelden, door te fungeren als extra vallen voor de golven. Door de verhouding van de twee ingrediënten zorgvuldig af te stemmen, slaagde het team erin een materiaal te creëren dat zowel lichtgewicht als zeer efficiënt is, wat een veelbelovend pad biedt voor de ontwikkeling van betere stealth-coatings en elektromagnetische afscherming.