Forskere får tak i magnetisk nanopulver i 6G-teknologi
Newswise — Materialforskere har utviklet en rask metode for å produsere epsilon jernoksid og demonstrert dens potensial for neste generasjons kommunikasjonsenheter. De enestående magnetiske egenskapene gjør det til et av de mest ettertraktede materialene, for eksempel for den kommende 6G-generasjonen av kommunikasjonsenheter og for holdbar magnetisk opptak. Arbeidet ble publisert i Journal of Materials Chemistry C, et tidsskrift for Royal Society of Chemistry. Jernoksid (III) er et av de mest utbredte oksidene på jorden. Det finnes hovedsakelig som mineralet hematitt (eller alfajernoksid, α-Fe₂O₃). En annen stabil og vanlig modifikasjon er maghemitt (eller gammamodifikasjon, γ-Fe₂O₃). Førstnevnte er mye brukt i industrien som et rødt pigment, og sistnevnte som et magnetisk opptaksmedium. De to modifikasjonene skiller seg ikke bare i krystallinsk struktur (alfajernoksid har heksagonal syngoni og gammajernoksid har kubisk syngoni), men også i magnetiske egenskaper. I tillegg til disse formene for jernoksid (III) finnes det mer eksotiske modifikasjoner som epsilon-, beta-, zeta- og til og med glassaktig. Den mest attraktive fasen er epsilonjernoksid, ε-Fe2O3. Denne modifikasjonen har en ekstremt høy koercitiv kraft (materialets evne til å motstå et eksternt magnetfelt). Styrken når 20 kOe ved romtemperatur, noe som er sammenlignbart med parametrene til magneter basert på dyre sjeldne jordartsmetaller. Videre absorberer materialet elektromagnetisk stråling i frekvensområdet sub-terahertz (100-300 GHz) gjennom effekten av naturlig ferromagnetisk resonans. Frekvensen av slik resonans er et av kriteriene for bruk av materialer i trådløse kommunikasjonsenheter – 4G-standarden bruker megahertz og 5G bruker titalls gigahertz. Det er planer om å bruke sub-terahertz-området som et arbeidsområde i den sjette generasjonen (6G) trådløse teknologien, som forberedes for aktiv introduksjon i livene våre fra tidlig på 2030-tallet. Det resulterende materialet er egnet for produksjon av konverteringsenheter eller absorberkretser ved disse frekvensene. For eksempel, ved å bruke kompositt ε-Fe₂O₃ nanopulver, vil det være mulig å lage malinger som absorberer elektromagnetiske bølger og dermed skjermer rom mot fremmede signaler, og beskytter signaler mot avlytting utenfra. Selve ε-Fe₂O₃ kan også brukes i 6G-mottakere. Epsilon jernoksid er en ekstremt sjelden og vanskelig form for jernoksid å få tak i. I dag produseres det i svært små mengder, og selve prosessen tar opptil en måned. Dette utelukker selvfølgelig utbredt anvendelse. Forfatterne av studien utviklet en metode for akselerert syntese av epsilon jernoksid som er i stand til å redusere syntesetiden til én dag (det vil si å gjennomføre en full syklus mer enn 30 ganger raskere!) og øke mengden av det resulterende produktet. Teknikken er enkel å reprodusere, billig og kan enkelt implementeres i industrien, og materialene som kreves for syntesen – jern og silisium – er blant de mest forekommende grunnstoffene på jorden. «Selv om epsilon-jernoksidfasen ble oppnådd i ren form for relativt lenge siden, i 2004, har den fortsatt ikke funnet industriell anvendelse på grunn av kompleksiteten i syntesen, for eksempel som et medium for magnetisk registrering. Vi har klart å forenkle teknologien betraktelig», sier Evgeny Gorbatsjov, doktorgradsstudent ved Institutt for materialvitenskap ved Moskva statsuniversitet og førsteforfatter av arbeidet. Nøkkelen til vellykket anvendelse av materialer med rekordbrytende egenskaper er forskning på deres grunnleggende fysiske egenskaper. Uten grundige studier kan materialet bli ufortjent glemt i mange år, slik det har skjedd mer enn én gang i vitenskapens historie. Det var samarbeidet mellom materialforskere ved Moskva statsuniversitet, som syntetiserte forbindelsen, og fysikere ved MIPT, som studerte den i detalj, som gjorde utviklingen til en suksess.
Publisert: 04.07.2022 