Construction of 0D/2D M/rGO@EuMOF Multiscale Heterostructures for Integrated High-Efficiency Microwave Absorption and Corrosion Protection

No complex mundo da engenharia de defesa e marinha moderna, os materiais enfrentam uma ameaça dupla que é difícil de resolver simultaneamente. Por um lado, sistemas de radar avançados podem detectar objetos a distâncias vastas, tornando o sigilo um requisito crítico para navios e aeronaves. Para se esconderem, essas embarcações precisam de revestimentos que possam "engolir" as ondas de radar em vez de refleti-las. Por outro lado, o oceano em si é um inimigo implacável. A água salgada e a umidade atacam constantemente as superfícies metálicas, causando ferrugem e degradação estrutural que podem, eventualmente, destruir uma embarcação. Durante décadas, cientistas lutaram para criar um único material que pudesse realizar ambas as tarefas: absorver energia eletromagnética para permanecer invisível e formar uma barreira resistente para impedir a corrosão. Geralmente, materiais bons em uma tarefa falham na outra, ou se degradam rapidamente em ambientes severos.

Uma equipe de pesquisadores do AVIC Chengdu Aircraft Industrial Group e da Universidade de Südwest Jiaotong desenvolveu uma nova abordagem para este problema ao construir um material composto que combina dois tipos distintos de estruturas. Eles criaram um sistema híbrido onde minúsculas partículas esféricas são ancoradas em camadas planas, semelhantes a folhas. Esse design permite que o material atue como um escudo sofisticado tanto contra ondas de radar quanto contra os elementos corrosivos do mar. Ao equilibrar cuidadosamente a quantidade dessas partículas, a equipe alcançou um revestimento que não apenas absorve sinais de radar com alta eficiência, mas também protege o aço contra a ferrugem por semanas na água salgada, oferecendo um caminho promissor para equipamentos marinhos mais duráveis e furtivos.

Os pesquisadores começaram com um material conhecido como MBene, que é um tipo de folha bidimensional feita de ferro, alumínio e boro. Essas folhas são naturalmente magnéticas e condutoras, propriedades que são úteis para interagir com ondas eletromagnéticas. Para torná-las ainda mais eficazes, a equipe anexou uma camada de óxido de grafeno reduzido, um material de carbono condutor, à superfície das folhas de MBene. Isso criou uma fundação magnética e condutora. O próximo passo envolveu o crescimento de um terceiro componente diretamente sobre essa fundação: pequenas esferas feitas de uma estrutura metalorgânica contendo o elemento európio. Essas esferas foram cultivadas no local usando um processo hidrotérmico, o que significa que foram formadas em uma solução aquosa aquecida. O resultado foi uma estrutura onde as folhas planas serviram como um andaime para as esferas tridimensionais, criando uma interface multiescala onde os dois materiais se encontram.

A equipe testou como diferentes quantidades dessas esferas de európio afetavam o desempenho do material. Eles descobriram que a quantidade de esferas era crítica. Se houvesse poucas, o material não absorvia as ondas de radar tão bem quanto poderia. Se houvesse muitas, as esferas se aglomeravam e bloqueavam as vias condutoras, fazendo com que o material refletisse as ondas em vez de absorvê-las. O melhor equilíbrio foi encontrado em uma amostra específica, que eles nomearam como MG@E3. Esta amostra alcançou uma perda de reflexão mínima de -54,02 decibéis a uma espessura de 2,1 milímetros. Em termos práticos, isso significa que, quando as ondas de radar atingem este revestimento, quase toda a energia é absorvida e dissipada como calor, em vez de retornar ao receptor do radar. O material também manteve uma ampla faixa de frequências onde foi eficaz, absorvendo ondas em uma largura de banda de 4,5 gigahertz com uma espessura de apenas 1,4 milímetros.

O mecanismo por trás deste sucesso baseia-se na interação única entre as folhas planas e as esferas. Quando as ondas de radar entram no material, a rede condutora das folhas e as propriedades magnéticas do MBene ajudam a retardar e aprisionar as ondas. A interface entre as folhas planas e as partículas esféricas cria uma zona onde as cargas elétricas se acumulam e oscilam, um processo conhecido como polarização interfacial. Essa oscilação converte a energia da onda de radar em calor. Adicionalmente, as moléculas orgânicas dentro das esferas atuam como centros que perturbam ainda mais as ondas. Os pesquisadores confirmaram, através de simulações computacionais, que este arranjo específico permite que as ondas entrem suavemente no material sem serem refletidas pela superfície, e então sejam aprisionadas e destruídas em seu interior.

Além de sua capacidade de se esconder do radar, o material também provou ser um excelente protetor contra a corrosão. Os pesquisadores revestiram placas de aço com o material composto e as submergiram em uma solução de água salgada por 21 dias. Eles mediram o quão bem o revestimento impedia a oxidação do aço testando sua resistência elétrica. A amostra de melhor desempenho nesta categoria, MG@E2, manteve uma eficiência de proteção de 94,8% após três semanas na água salgada. Este alto nível de proteção provém da estrutura física do revestimento. As folhas planas criam um caminho longo e sinuoso que o sal corrosivo e a água devem percorrer para alcançar o metal subjacente, um fenômeno frequentemente chamado de efeito labirinto. As partículas esféricas preenchem as minúsculas lacunas e buracos entre as folhas, tornando a barreira ainda mais apertada e difícil de ser penetrada pelos agentes corrosivos.

O estudo também analisou como o material desempenharia em um cenário real ao simular a seção reta de radar, que é uma medida de quão visível um objeto é para o radar. As simulações mostraram que o revestimento poderia reduzir a assinatura de radar de um alvo em aproximadamente 31,85 decibéis. Essa redução significativa significa que um navio ou aeronave revestida com este material pareceria muito menor para um sistema de radar, tornando-o efetivamente mais difícil de detectar. Os pesquisadores observaram que o desempenho do material é altamente dependente do equilíbrio preciso de seus componentes. O excesso do componente esférico interrompe a rede condutora, enquanto a falta dele falha em fornecer centros de polarização suficientes para absorver as ondas.

Este trabalho demonstra que é possível projetar um único material que aborde dois dos problemas mais desafiadores da defesa marítima: o sigilo e a durabilidade. Ao cultivar partículas esféricas diretamente sobre folhas magnéticas condutoras, os pesquisadores criaram uma interface estável que potencializa tanto a absorção eletromagnética quanto as propriedades de barreira física. As descobertas sugerem que, com o controle cuidadoso da composição do material, é possível criar revestimentos que não sejam apenas eficazes em esconder objetos do radar, mas também robustos o suficiente para resistir às condições severas do oceano por períodos prolongados. O estudo fornece uma base experimental clara para o design de futuros sistemas de proteção que possam operar de forma confiável em ambientes complexos sem sacrificar uma função em prol da outra.