Facile fabrication of ternary MoO2/Fe2O3/CNFs nanofibers with efficient electromagnetic wave absorption performance

In de moderne wereld zoeven constant onzichtbare energiegolven door de lucht, die onze tekstberichten, internetverbindingen en televisiesignalen vervoeren. Hoewel deze elektromagnetische golven essentieel zijn voor communicatie, kan een teveel aan deze golven schadelijk zijn. Net zoals een drukke kamer het moeilijk maakt om één enkel gesprek te horen, kan een overbelasting van deze golven elektronische apparatuur verstoren en potentiële risico's vormen voor de menselijke gezondheid. Om dit op te lossen, zoeken wetenschappers al lang naar materialen die als een spons kunnen fungeren, die deze overtollige golven opzuigen voordat ze problemen veroorzaken. Het ideale materiaal moet dun, licht en flexibel genoeg zijn om op verschillende oppervlakken te worden aangebracht, maar krachtig genoeg om een breed scala aan frequenties te absorberen. Decennialang hebben onderzoekers geprobeerd magnetische metalen met koolstof te mengen, maar het vinden van de perfecte balans tussen het absorberen van de energie en het laten binnendringen van de golven in het materiaal zelf, bleef een moeilijke puzzel.

Een team van onderzoekers van de Zhejiang Sci-Tech Universiteit en andere instellingen in China heeft een frisse aanpak van dit probleem gekozen door een nieuw type vezel te creëren dat drie verschillende elementen combineert in één enkele, lichtgewicht structuur. Ze begonnen met een oplossing die kleine deeltjes van twee verschillende oxiden bevatte: één gemaakt van ijzer en de andere van molybdeen, gemengd in een polymeeroplossing. Met behulp van een techniek genaamd elektrospinning, waarbij elektriciteit wordt gebruikt om de vloeistof tot ongelooflijk fijne draden te rekken, sponnen ze deze deeltjes tot een mat van vezels. Vervolgens verhitten ze deze vezels in een oven om het polymeer in koolstof te veranderen, waardoor een composietmateriaal overbleef waarin nanodeeltjes van ijzeroxide en molybdeenoxide zijn ingebed in een netwerk van koolstofnanovezels. Het resultaat was een ternair composiet, wat betekent dat het uit drie werkende delen bestaat, ontworpen om samen te werken om elektromagnetische energie te vangen en te dissiperen.

De onderzoekers testten verschillende variaties van dit materiaal en veranderden de hoeveelheid molybdeenoxide om te zien hoe dit de prestaties beïnvloedde. Ze ontdekten dat een specifieke mengeling, die ze als het tweede monster bestempelden, het beste presteerde. Wanneer dit geoptimaliseerde materiaal in een laboratoriumsetting werd getest, absorbeerde het elektromagnetische golven met een opmerkelijke efficiëntie. Bij een dikte van slechts 2,00 millimeter verminderde het de reflectie van golven tot een minimum van -40,90 decibel bij een frequentie van 10,56 gigahertz. Om dit in perspectief te plaatsen: een waarde onder de -10 decibel betekent dat het materiaal meer dan 90 procent van de golven die het raken absorbeert; dit monster absorbeerde bijna alle golven. Nog indrukwekkender was dat toen de onderzoekers de laag iets dunner maakten, op 1,50 millimeter, het materiaal nog steeds een breed bereik aan frequenties kon absorberen, met een bandbreedte van 5,76 gigahertz. Dit bereik is significant omdat het bijna de gehele Ku-band omvat, een specifiek deel van het spectrum dat wordt gebruikt voor satellietcommunicatie en radarsystemen.

Het succes van dit materiaal komt voort uit de manier waarop de drie componenten met elkaar interageren. De koolstofnanovezels bieden een geleidend netwerk waardoor elektronen vrij kunnen bewegen, wat een type energieverlies creëert dat bekend staat als geleidingsverlies. De ijzeroxide-nanodeeltjes voegen magnetische eigenschappen toe, waardoor het materiaal kan interageren met het magnetische deel van de golven. Het molybdeenoxide helpt de elektrische eigenschappen af te stemmen en creëert veel kleine interfaces waar de verschillende materialen elkaar raken. Deze interfaces fungeren als vallen voor de golven, waardoor ze verstrooien en energie verliezen via een proces dat polarisatie wordt genoemd. De onderzoekers observeerden dat de combinatie van deze effecten een perfecte balans creëerde: het materiaal was geleidend genoeg om energie te absorberen, maar niet zo geleidend dat het de golven weg reflecteerde als een spiegel. Deze balans, bekend als impedantieafstemming, zorgde ervoor dat de golven het materiaal konden binnendringen en gedissipeerd werden in plaats van dat ze van het oppervlak af stuiterden.

Om er zeker van te zijn dat deze bevindingen niet beperkt bleven tot het laboratorium, gebruikten het team computersimulaties om te modelleren hoe het materiaal zich zou gedragen in een real-world scenario. Ze simuleerden een radarsysteem dat een doelwit detecteert dat met het nieuwe materiaal is gecoat. De resultaten lieten zien dat het materiaal de radar-dwarsdoorsnede drastisch verminderde, wat een maat is voor hoe zichtbaar een object is voor radar. Een kaal metal surface reflecteerde een sterk signaal, maar wanneer het werd gecoat met het nieuwe vezelcomposiet, daalde het gereflecteerde signaal aanzienlijk, waardoor het object veel moeilijker te detecteren was. Dit suggereert dat het materiaal zeer effectief zou kunnen zijn voor praktische toepassingen, zoals het coaten van vliegtuigen of elektronische apparaten om interferentie te voorkomen of de radarhandtekening te verminderen.

De studie verduidelijkte ook wat er niet zo goed werkt als het geoptimaliseerde mengsel. Wanneer de onderzoekers te veel molybdeenoxide toevoegden, nam het vermogen van het materiaal om golven te absorberen af. Het overtollige niet-magnetische materiaal verwaterde de magnetische eigenschappen die door het ijzeroxide werden geboden, waardoor de algehele prestaties afnamen. Deze bevinding weersprak de opvatting dat het simpelweg toevoegen van meer van één component altijd tot betere resultaten zou leiden; in plaats daarvan benadrukte het het belang van het vinden van de precieze verhouding waarbij de magnetische en diëlektrische eigenschappen elkaar aanvullen. De onderzoekers bevestigden dat de prestaties van het materiaal werden aangedreven door een synergie van mechanismen, waaronder de beweging van elektronen, magnetische resonantie en de verstrooiing van golven op de grensvlakken tussen de verschillende deeltjes.

Door elektrospinning te combineren met hoogtemperatuur-carbonisatie, hebben de onderzoekers een eenvoudige manier aangetoond om een materiaal te maken dat zowel dun als krachtig is. Het eindproduct is een flexibele, lichtgewicht vezelmat die kan worden afgestemd op het absorberen van specifieke frequenties. Hoewel de studie zich richtte op de laboratoriumcreatie en het testen van het materiaal, wijzen de simulaties op een duidelijke weg naar praktisch gebruik in omgevingen met hoge frequenties. Het werk biedt een veelbelovende route voor de ontwikkeling van de volgende generatie elektromagnetische beschermingsmaterialen, waarbij wordt bewezen dat een zorgvuldig uitgebalanceerde mix van veelvoorkomende elementen complexe problemen in golfabsorptie kan oplossen zonder de noodzaak van zware of volumineuze componenten.