ترکیب گرافن و نانولولههای کربنی در ساخت جاذبهای امواج الکترومغناطیسی
پژوهشگران دانشگاه ولیعصر رفسنجان در مطالعهای، گروهی از نانوکامپوزیتهای مغناطیسی را برای جذب و اتلاف مؤثر امواج مایکروویو طراحی و بررسی کردهاند که در میان آنها، ترکیب همزمان اکسید گرافن کاهشیافته، نانولولههای کربنی چنددیواره و پلیآنیلین عملکرد قابلتوجهی نشان داده است.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران دانشگاه ولیعصر رفسنجان در مطالعهای، گروهی از نانوکامپوزیتهای مغناطیسی را برای جذب و اتلاف مؤثر امواج مایکروویو طراحی و بررسی کردهاند که در میان آنها، ترکیب همزمان اکسید گرافن کاهشیافته، نانولولههای کربنی چنددیواره و پلیآنیلین عملکرد قابلتوجهی نشان داده است. این مواد با بهرهگیری از ساختارهای یکبعدی و دوبعدی و ایجاد شبکهای از فصلمشترکها و مسیرهای رسانا، توانستهاند جذب امواج را در چند باند فرکانسی افزایش دهند. در بهترین نمونه، پهنای باند مؤثر جذب به ۴.۸ گیگاهرتز رسید و نمونه دیگری نیز افت بازتاب ۴۷.۵- دسیبل را در فرکانس ۴.۶ گیگاهرتز ثبت کرد. شبیهسازیهای انجامشده با نرمافزار CST نیز نشان داد که این مواد قابلیت اتلاف انرژی مایکروویو را دارند. چنین جاذبهایی میتوانند در مسیر توسعه مواد سبک و چندمنظوره برای کنترل تداخل و آلودگی الکترومغناطیسی مورد استفاده قرار گیرند.
مواج الکترومغناطیسی بخش جداییناپذیر فناوریهای امروزی هستند؛ از ارتباطات بیسیم و سامانههای راداری گرفته تا تجهیزات الکترونیکی، مخابراتی و بسیاری از سامانههای صنعتی. اما همان فناوریای که امکان انتقال اطلاعات و عملکرد تجهیزات را فراهم میکند، در صورت کنترلنشدن میتواند به ایجاد تداخل الکترومغناطیسی، کاهش عملکرد تجهیزات و افزایش پیچیدگی طراحی سامانههای حساس منجر شود. به همین دلیل، توسعه موادی که بتوانند انرژی امواج الکترومغناطیسی را بهجای بازتابدادن، جذب و مستهلک کنند، به یکی از موضوعات مهم پژوهشهای مواد پیشرفته تبدیل شده است.
در این میان، جاذبهای مایکروویو باید مجموعهای از ویژگیها را بهطور همزمان داشته باشند؛ از جمله جذب بالا، پهنای باند گسترده، ضخامت کم، وزن پایین و قابلیت ساخت با روشهای نسبتاً ساده. رسیدن به همه این ویژگیها با یک ماده منفرد دشوار است و به همین دلیل پژوهشگران در سالهای اخیر به سمت طراحی نانوکامپوزیتهایی رفتهاند که در آنها چند سازوکار مختلف جذب، از جمله تلفات مغناطیسی، دیالکتریک و رسانشی، در کنار یکدیگر فعال میشوند.
در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه ولیعصر رفسنجان در مطالعهای به بررسی اثر ساختارهای کربنی یکبعدی و دوبعدی بر عملکرد جذب مایکروویو نانوکامپوزیتهای مغناطیسی NiFe۲O۴@Fe۳O۴ پرداختهاند. تمرکز اصلی این پژوهش بر بررسی نقش اکسید گرافن کاهشیافته یا RGO و نانولولههای کربنی چنددیواره یا MWCNT، در حضور یا نبود پلیآنیلین (PANI)، در بهبود قابلیت جذب امواج بوده است.
بخش نانویی این پروژه دقیقاً در همین طراحی چندمقیاسی ماده قرار دارد. پژوهشگران بهجای استفاده از یک ماده ساده، ساختاری مرکب از نانوذرات و ساختارهای کربنی با ابعاد مختلف ایجاد کردهاند. NiFe۲O۴ و Fe۳O۴ اجزای مغناطیسی این سامانه هستند، در حالی که RGO یک ساختار کربنی دوبعدی و MWCNT یک ساختار کربنی یکبعدی را در اختیار ماده قرار میدهد. پلیآنیلین نیز بهعنوان یک پلیمر رسانا وارد ساختار شده است. کنار هم قرارگرفتن این اجزا باعث شکلگیری شبکهای پیچیده از مسیرهای رسانا، فصلمشترکهای متعدد و نواحی دارای نقص میشود که میتوانند در اتلاف انرژی امواج الکترومغناطیسی نقش داشته باشند.
اهمیت انجام این پروژه از آنجا ناشی میشود که بسیاری از جاذبهای مایکروویو متداول یا در یک محدوده فرکانسی مشخص عملکرد مطلوبی دارند یا برای دستیابی به جذب بالا به ضخامت و وزن بیشتری نیاز دارند. بنابراین، توسعه جاذبهایی با قابلیت جذب گسترده در چند باند فرکانسی و در ضخامت پایین، میتواند مسیر طراحی مواد کاربردیتر برای کنترل امواج الکترومغناطیسی را هموار کند. در این پژوهش نیز تلاش شده است با ترکیب مواد مغناطیسی و نانوساختارهای کربنی، محدودیتهای مربوط به عملکرد تکجزئی مواد کاهش یابد.
برای ساخت نمونهها از سه روش هیدروترمال، همرسوبی و پلیمریزاسیون درجا استفاده شد. بر این اساس، هفت ترکیب مختلف شامل NiFe۲O۴ با نام S۱، NiFe۲O۴/Fe۳O۴ با نام S۲، NiFe۲O۴/Fe۳O۴/PANI با نام S۳، NiFe۲O۴/Fe۳O۴/PANI/RGO با نام S۴، NiFe۲O۴/Fe۳O۴/PANI/MWCNT با نام S۵، NiFe۲O۴/Fe۳O۴/RGO/MWCNT با نام S۶ و در نهایت NiFe۲O۴/Fe۳O۴/PANI/RGO/MWCNT با نام S۷ تهیه و مقایسه شدند.
این طراحی امکان آن را فراهم کرد که نقش هر یک از اجزای نانوساختاری در عملکرد نهایی بررسی شود. نتایج نشان داد که افزودن MWCNT میتواند عملکرد جذب مایکروویو را به شکل محسوسی افزایش دهد. در میان نمونههای مورد بررسی، S۵ که شامل NiFe۲O۴/Fe۳O۴/PANI/MWCNT بود، عملکرد برجستهای از خود نشان داد. این نمونه در فرکانس ۴.۶ گیگاهرتز به حداقل افت بازتاب یا RLmin برابر با ۴۷.۵- دسیبل رسید. چنین مقداری نشاندهنده جذب بسیار بالای انرژی موج فرودی است.
اهمیت عملکرد S۵ تنها به مقدار افت بازتاب محدود نمیشود. این نمونه در ضخامت تطبیقی ۱.۶ میلیمتر، پهنای باند مؤثر جذب ۴ گیگاهرتز را نشان داد. همچنین در ضخامتهای مختلف و در محدودههای فرکانسی C، X و Ku، مقدار RL آن در بسیاری از شرایط کمتر از ۱۰- دسیبل باقی ماند. بهطور معمول، رسیدن به افت بازتاب کمتر از ۱۰- دسیبل بهعنوان نشانهای از جذب بخش عمدهای از انرژی موج فرودی در نظر گرفته میشود؛ بنابراین، این نتایج نشان میدهد که ماده موردنظر تنها یک نقطه عملکردی مناسب ندارد و میتواند در محدوده نسبتاً گستردهای از فرکانسها عمل کند.
نمونه S۶ نیز که شامل RGO و MWCNT در کنار فازهای مغناطیسی بود، عملکرد قابلتوجهی نشان داد. این نمونه در ضخامت ۱.۴ میلیمتر به پهنای باند مؤثر جذب ۴ گیگاهرتز دست یافت و در ضخامت ۲ میلیمتر، حداقل افت بازتاب آن به ۳۸.۷- دسیبل در فرکانس ۱۰.۹ گیگاهرتز رسید. این نتایج اهمیت استفاده همزمان از ساختارهای کربنی با ابعاد متفاوت را در طراحی جاذبهای مایکروویو نشان میدهد.
با این حال، بیشترین پهنای باند مؤثر جذب در نمونه S۷ مشاهده شد. این نمونه که همزمان شامل RGO، MWCNT و PANI بود، در ضخامت تطبیقی تنها ۱.۶ میلیمتر به پهنای باند مؤثر ۴.۸ گیگاهرتز دست یافت. این مقدار به معنای آن است که ماده میتواند در یک محدوده نسبتاً وسیع فرکانسی، عملکرد جذبی مناسبی داشته باشد. به بیان سادهتر، پژوهشگران توانستهاند با ترکیب چند نوع ساختار نانویی و مغناطیسی، مادهای ایجاد کنند که به یک فرکانس خاص محدود نباشد.
بررسی نتایج نشان میدهد که عملکرد این مواد حاصل یک سازوکار منفرد نیست. ساختارهای هسته-پوسته، ایجاد فصلمشترکهای ناهمگن، وجود ساختارهای کربنی یکبعدی و دوبعدی، نقصهای ایجادشده در ساختار و تشکیل شبکههای رسانای بههمپیوسته، همگی در جذب و اتلاف انرژی امواج نقش دارند. در این میان، حضور همزمان RGO، MWCNT و PANI باعث ایجاد شبکهای رسانا میشود که میتواند مسیرهای متعددی برای انتقال و اتلاف انرژی الکترومغناطیسی فراهم کند.
یکی دیگر از نکات مهم این پژوهش، استفاده از نمودار اسمیت برای بررسی ویژگیهای تطبیق امپدانس است. نتایج این تحلیل نشان داد که شبکه رسانای ایجادشده از PANI/MWCNT/RGO میتواند به بهبود تطبیق امپدانس کمک کند. تطبیق مناسب امپدانس اهمیت زیادی دارد، زیرا اگر موج در سطح ماده بازتاب شود، انرژی کمتری وارد جاذب خواهد شد. در مقابل، تطبیق مناسب باعث ورود بیشتر انرژی به ساختار و فراهمشدن امکان اتلاف آن در داخل ماده میشود.
در واقع، پژوهشگران تلاش کردهاند دو مسئله را همزمان حل کنند: نخست، ورود مؤثر امواج به ماده و دوم، تبدیل و اتلاف انرژی آنها پس از ورود. ترکیب ویژگیهای مغناطیسی فازهای NiFe۲O۴ و Fe۳O۴ با ویژگیهای رسانشی و دیالکتریک ساختارهای کربنی و پلیآنیلین، زمینه ایجاد این اثر همافزا را فراهم کرده است. به همین دلیل، ساختار نهایی را میتوان نمونهای از یک سامانه نانومقیاس چندجزئی دانست که عملکرد آن از مجموع ساده خواص اجزای تشکیلدهنده فراتر میرود.
برای بررسی امکان استفاده عملی از این مواد نیز شبیهسازیهای الکترومغناطیسی با نرمافزار CST انجام شد. نتایج شبیهسازی نشان داد که نمونههای S۵، S۶ و S۷ قابلیت اتلاف انرژی مایکروویو را دارند. این بخش از پژوهش اهمیت دارد، زیرا عملکرد یک ماده در آزمایشگاه لزوماً به معنای آمادگی آن برای استفاده در یک سامانه واقعی نیست و شبیهسازی میتواند تصویری از رفتار ماده در شرایط کاربردیتر ارائه دهد.
بر اساس نتایج، نانوکامپوزیتهای تهیهشده قادرند بیش از ۹۹ درصد از امواج الکترومغناطیسی فرودی را جذب کنند. پژوهشگران این عملکرد را به طراحی دقیق ترکیب مواد، افزایش تعداد فصلمشترکها، وجود فضاهای خالی، شبکههای رسانای متصل به یکدیگر و مشارکت همزمان تلفات دیالکتریک، رسانشی و مغناطیسی نسبت میدهند.
نتایج این مطالعه نشان میدهد که استفاده از نانوساختارهای کربنی یکبعدی و دوبعدی در کنار مواد مغناطیسی و پلیمرهای رسانا میتواند راهکاری مؤثر برای ساخت جاذبهای مایکروویو سبک و با عملکرد بالا باشد. دستیابی به پهنای باند مؤثر ۴.۸ گیگاهرتز در ضخامت ۱.۶ میلیمتر و افت بازتاب ۴۷.۵- دسیبل در نمونه S۵، این سامانه را به گزینهای قابلتوجه برای ادامه مطالعات در حوزه مواد جاذب امواج تبدیل میکند.
به نقل از نانو ایران، در مجموع، این پژوهش نشان میدهد که مسیر توسعه جاذبهای نسل جدید الزاماً از تولید یک ماده جدید نمیگذرد، بلکه میتوان با مهندسی دقیق نانوساختارها و قرار دادن اجزای یکبعدی، دوبعدی، مغناطیسی و رسانا در کنار یکدیگر، عملکردی متفاوت ایجاد کرد. چنین رویکردی میتواند در آینده برای توسعه مواد سبک، نازک و چندبانده با قابلیت کنترل و اتلاف امواج الکترومغناطیسی مورد توجه قرار گیرد؛ حوزهای که با گسترش تجهیزات بیسیم، سامانههای الکترونیکی و فناوریهای فرکانس بالا، اهمیت آن هر روز بیشتر میشود.
نتایج این پروژه در قالب مقاله ای با عنوان The impact of RGO and MWCNT/RGO on the microwave absorption of NiFe ۲ O ۴ @Fe ۳ O ۴ in the presence or absence of PANI در نشریه Journal of Materials Chemistry A به چاپ رسیده است.
