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

Het moderne leven is verzadigd met onzichtbare golven. Van de smartphones in onze zakken tot de routers in onze muren, we zijn constant omringd door elektromagnetische straling. Hoewel deze golven de gegevens dragen die onze digitale wereld aandrijven, creëren ze ook een vorm van vervuiling. Wanneer te veel signalen dezelfde ruimte verdringen, kunnen ze met elkaar interfereren, waardoor elektronische apparaten defect raken of gegevens verliezen. Dit fenomeen, bekend als elektromagnetische interferentie, is een groeiend probleem naarmate technologie dichter en krachtiger wordt. Om gevoelige apparatuur te beschermen, hebben ingenieurs materialen nodig die als een schild kunnen fungeren, die deze rondtrekkende golven opvangen en voorkomen dat ze erdoorheen dringen. De meest effectieve schilden weerkaatsen de golven niet simpelweg weg; in plaats daarvan absorberen ze de energie en zetten deze om in onschadelijke warmte, waardoor de straling niet terug wordt gereflecteerd in de omgeving.

Een team van onderzoekers in India werkt aan een nieuw type materiaal dat ontworpen is om dit probleem op te lossen. Ze richtten zich op een specifieke klasse magnetische verbindingen genaamd spinelferrieten. Dit zijn keramiekachtige materialen die van nature interageren met magnetische velden en elektriciteit. De onderzoekers wilden zien of ze deze materialen konden verbeteren door een zeldzaam element genaamd gadolinium toe te voegen. Door kleine hoeveelheden gadolinium te mengen met een basis bestaande uit magnesium, nikkel en aluminium, creëerden ze een nieuw composiet. Vervolgens maakten ze van dit mengsel zeer dunne films van slechts vijftig micrometer dik, wat ongeveer de breedte van een menselijk haar is. Het doel was om te zien of deze specifieke combinatie een breed scala aan microgolffrequenties kon absorberen, met name die gebruikt worden in radar en hoogwaardige communicatie, zonder ze terug te reflecteren.

Het proces begon met een methode genaamd oplossingsverbrandingssynthese (solution combustion). De onderzoekers mengden nauwkeurige hoeveelheden metaalnitraten met brandstoffen zoals glucose en ureum in water. Wanneer dit mengsel werd verhit, ontstak het in een gecontroleerde reactie, waarbij een fijn zwart poeder van de nieuwe ferrietnanodeeltjes achterbleef. Vervolgens hingen ze dit poeder in een vloeibaar oplosmiddel en brachten het aan op plastic vellen om de dunne films te vormen. Om er zeker van te zijn dat het materiaal puur en goed gestructureerd was, onderzocht het team het met krachtige microscopen en röntgenmachines. Ze ontdekten dat de deeltjes ongeveer vijftig nanometer groot waren, en dat de toevoeging van gadolinium de deeltjes hielp om zich in een uniforme kristalstructuur te ordenen. Het materiaal bleek stabiel, zelfs wanneer het werd blootgesteld aan hoge temperaturen, waarbij het nauwelijks gewicht verloor, wat suggereert dat het in barre omgevingen kan overleven.

De belangrijkste ontdekking kwam toen het team testte hoe goed deze films elektromagnetische golven blokkeerden. Ze maten de films over een breed bereik van frequenties, van acht tot achttien gigahertz. De resultaten lieten zien dat de films uitzonderlijk goed waren in het absorberen van de golven in plaats van ze te reflecteren. Het best presterende monster, dat de hoogste hoeveelheid gadolinium bevatte, blokkeerde bijna negenennegentig komma achtennegentig procent van de inkomende straling. In technische termen komt dit overeen met een afschermingseffectiviteit van negatief zesentwintig komma twee vijf decibel. Dit prestatieniveau wordt bereikt omdat de gadoliniumatomen de manier waarop elektronen binnen het materiaal bewegen hebben veranderd, waardoor er meer mogelijkheden ontstonden voor de elektromagnetische energie om te worden omgezet in warmte. Het materiaal vertoonde ook een hoge elektrische geleidbaarheid, wat hielp om de golven op te vangen en te dissiperen.

Naast het blokkeren van de golven, keken de onderzoekers naar hoe het materiaal zich in de loop van de tijd gedroeg. Ze lieten het beste monster zestig dagen lang blootgesteld aan de lucht en straling en stelden vast dat de prestaties bijna onveranderd bleven, met een daling van slechts twee procent. Deze stabiliteit is cruciaal voor real-world toepassingen waarbij materialen jarenlang betrouwbaar moeten functioneren zonder te degraderen. Het team mat ook hoe diep de golven in het materiaal konden doordringen en stelde vast dat de golven zeer dicht bij het oppervlak werden gestopt. Dit geeft aan dat het materiaal zeer efficiënt is in het absorberen van energie direct waar het de impact heeft. De studie concludeert dat deze met gadolinium gedoteerde films een veelbelovende kandidaat zijn voor het beschermen van elektronische apparaten in defensiesystemen en communicatienetwerken. Door een gewoon keramisch materiaal via eenvoudige chemische afstemming te veranderen in een hoogefficiënte absorber, hebben de onderzoekers een potentiële oplossing geboden voor de groeiende uitdaging van elektromagnetische interferentie.