Forskare får fram magnetiskt nanopulver för 6G-teknik
Materialforskare har utvecklat en snabb metod för att producera epsilonjärnoxid och visat dess potential för nästa generations kommunikationsenheter. Dess enastående magnetiska egenskaper gör det till ett av de mest eftertraktade materialen, till exempel för den kommande 6G-generationen av kommunikationsenheter och för hållbar magnetisk registrering. Arbetet publicerades i Journal of Materials Chemistry C, en tidskrift för Royal Society of Chemistry. Järnoxid (III) är en av de mest utbredda oxiderna på jorden. Den förekommer främst som mineralet hematit (eller alfajärnoxid, α-Fe₂O₃). En annan stabil och vanlig modifiering är maghemit (eller gammamodifiering, γ-Fe₂O₃). Den förra används ofta inom industrin som ett rött pigment, och den senare som ett magnetiskt registreringsmedium. De två modifieringarna skiljer sig inte bara åt i kristallin struktur (alfajärnoxid har hexagonal syngoni och gammajärnoxid har kubisk syngoni) utan även i magnetiska egenskaper. Förutom dessa former av järnoxid (III) finns det mer exotiska modifieringar som epsilon-, beta-, zeta- och till och med glasartade. Den mest attraktiva fasen är epsilonjärnoxid, ε-Fe2O3. Denna modifiering har en extremt hög koercitivkraft (materialets förmåga att motstå ett externt magnetfält). Styrkan når 20 kOe vid rumstemperatur, vilket är jämförbart med parametrarna för magneter baserade på dyra sällsynta jordartsmetaller. Dessutom absorberar materialet elektromagnetisk strålning i frekvensområdet sub-terahertz (100-300 GHz) genom effekten av naturlig ferromagnetisk resonans. Frekvensen för sådan resonans är ett av kriterierna för användning av material i trådlösa kommunikationsenheter – 4G-standarden använder megahertz och 5G använder tiotals gigahertz. Det finns planer på att använda sub-terahertz-området som ett arbetsområde i den sjätte generationens (6G) trådlösa teknik, som förbereds för aktiv introduktion i våra liv från början av 2030-talet. Det resulterande materialet är lämpligt för produktion av omvandlingsenheter eller absorbatorkretsar vid dessa frekvenser. Genom att använda komposit-ε-Fe₂O₃-nanopulver kan man till exempel tillverka färger som absorberar elektromagnetiska vågor och därmed skyddar rum från främmande signaler, och skyddar signaler från att avlyssnas utifrån. Själva ε-Fe₂O₃ kan också användas i 6G-mottagningsenheter. Epsilonjärnoxid är en extremt sällsynt och svårframställd form av järnoxid. Idag produceras den i mycket små mängder, där själva processen tar upp till en månad. Detta utesluter naturligtvis dess breda tillämpning. Författarna till studien utvecklade en metod för accelererad syntes av epsilonjärnoxid som kan minska syntestiden till en dag (det vill säga genomföra en hel cykel mer än 30 gånger snabbare!) och öka mängden av den resulterande produkten. Tekniken är enkel att reproducera, billig och kan enkelt implementeras inom industrin, och de material som krävs för syntesen – järn och kisel – är bland de vanligaste grundämnena på jorden. ”Även om epsilon-järnoxidfasen erhölls i ren form för relativt länge sedan, år 2004, har den fortfarande inte funnit industriell tillämpning på grund av komplexiteten i dess syntes, till exempel som ett medium för magnetisk registrering. Vi har lyckats förenkla tekniken avsevärt”, säger Evgeny Gorbatjov, doktorand vid institutionen för materialvetenskap vid Moskvas statliga universitet och försteförfattare till arbetet. Nyckeln till framgångsrik tillämpning av material med rekordbrytande egenskaper är forskning om deras grundläggande fysikaliska egenskaper. Utan djupgående studier kan materialet oförtjänt glömmas bort i många år, vilket har hänt mer än en gång i vetenskapens historia. Det var samarbetet mellan materialforskare vid Moskvas statsuniversitet, som syntetiserade föreningen, och fysiker vid MIPT, som studerade den i detalj, som gjorde utvecklingen till en succé.
Publiceringstid: 4 juli 2022 