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

No mundo invisível que nos rodeia, ondas de rádio e micro-ondas transportam nossas chamadas de celular, sinais de Wi-Fi e dados de radar. Embora dependamos dessas ondas para nos conectar, elas também podem ser um incômodo ou um perigo quando ricocheteiam em superfícies e criam interferência, ou quando revelam a localização de equipamentos sensíveis. Para gerenciar isso, cientistas desenvolvem materiais especiais projetados para "engolir" essas ondas em vez de deixá-las ricochetear de volta. Os materiais mais eficazes muitas vezes precisam equilibrar dois traços concorrentes: a capacidade de conduzir eletricidade e a capacidade de interagir com campos magnéticos. Materiais à base de carbono são excelentes em conduzir eletricidade e absorver ondas através do atrito elétrico, mas frequentemente refletem muita energia na superfície antes que ela possa ser absorvida. Materiais magnéticos, por outro lado, são ótimos em absorver energia através de interações magnéticas, mas costumam ser pesados e carecem da condutividade elétrica necessária para uma ampla gama de frequências. O desafio reside em combinar esses dois tipos de materiais em uma única substância leve que possa lidar com uma grande variedade de frequências de ondas sem refleti-las.

Pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia de Liaoning, na China, deram um passo em direção à solução deste problema ao criar um novo tipo de material composto que mistura grafeno com ferrite puro. O grafeno é uma forma de carbono organizada em uma única camada de átomos, conhecida por sua resistência e condutividade elétrica. A ferrita é um tipo de material cerâmico magnético que interage fortemente com campos magnéticos. A equipe utilizou um processo chamado síntese hidrotérmica, que envolve o aquecimento de uma mistura de água e produtos químicos em um recipiente selado para cultivar o material. Eles misturaram grafeno com ferrita em várias proporções diferentes para ver como o equilíbrio entre os dois componentes afetava a capacidade do material de absorver micro-ondas. O objetivo era encontrar uma receita específica onde as propriedades elétricas do grafeno e as propriedades magnéticas da ferrita trabalhassem juntas perfeitamente, permitindo que as ondas entrassem no material e ficassem presas dentro dele em vez de ricochetearem na superfície.

A equipe criou seis amostras diferentes, variando de aquelas com mais grafeno para aquelas com mais ferrita. Eles examinaram a estrutura microscópica dessas amostras e descobriram que as partículas de ferrite, que são pequenas esferas entre 0,1 e 0,5 de tamanho, assentaram-se uniformemente nas superfícies rugosas das folhas de grafeno. Esse arranjo impediu que as folhas de grafeno se aglomerassem e criou uma vasta rede de fronteiras onde os dois materiais se encontram. Essas fronteiras são cruciais porque atuam como locais onde as cargas elétricas podem se acumular e liberar energia na forma de calor. À medida que os pesquisadores aumentavam a quantidade de ferrita na mistura, a capacidade do material de interagir com campos magnéticos crescia, enquanto sua condutividade elétrica diminuía ligeiramente. Essa mudança era exatamente o que era necessário para melhorar o desempenho geral do material.

Quando os pesquisadores testaram o quão bem esses materiais absorviam micro-ondas, descobriram que a amostra com a maior quantidade de ferrita apresentou o melhor desempenho. Esta mistura específica, contendo uma parte de grafeno para três partes de ferrite, atingiu seu pico de desempenho com uma espessura de 3 milímetros. Em uma frequência de 11,8 gigahertz, esta amostra absorveu tanta energia que apenas uma fração minúscula da onda foi refletida de volta, registrando uma perda de reflexão de –23,8 decibéis. Para colocar isso em perspectiva, uma perda de reflexão de –10 decibéis é o padrão de referência para um bom absorvedor, o que significa que ele absorve 90 por cento da onda incidente. Este novo material foi muito além desse padrão, absorvendo mais de 99 por cento da onda em sua frequência de pico. Além disso, ele manteve esse alto nível de absorção em uma ampla gama de frequências, cobrindo um intervalo de 3,7 gigahertz, o que é uma largura significativa para um único material.

O sucesso deste material provém de um equilíbrio delicado entre como ele lida com a eletricidade e o magnetismo. O grafeno fornece um caminho para o fluxo de correntes elétricas, criando atrito que transforma a energia da onda em calor. As partículas de ferrite interagem com a parte magnética da onda, criando um tipo diferente de atrito que também gera calor. Quando esses dois mecanismos trabalham juntos, permitem que a onda entre facilmente no material sem ricochetear na superfície, e depois dissipam sua energia rapidamente enquanto viaja através dele. Os pesquisadores observaram que os defeitos e imperfeições na superfície do grafeno e da ferrita também desempenharam um papel, atuando como armadilhas adicionais para as ondas. Ao ajustar cuidadosamente a proporção dos dois ingredientes, a equipe conseguiu criar um material que é tanto leve quanto altamente eficiente, oferecendo um caminho promissor para o desenvolvimento de melhores revestimentos de camuflagem (stealth) e blindagem eletromagnética.