Wetenschappers verkrijgen magnetisch nanopoeder voor 6G-technologie
Newswise — Materiaalwetenschappers hebben een snelle methode ontwikkeld voor de productie van epsilon-ijzeroxide en de potentie ervan voor communicatieapparatuur van de volgende generatie bewezen. De uitstekende magnetische eigenschappen maken het een van de meest gewilde materialen, zoals voor de aankomende 6G-generatie communicatieapparatuur en voor duurzame magnetische registratie. Het werk werd gepubliceerd in het Journal of Materials Chemistry C, een tijdschrift van de Royal Society of Chemistry. IJzeroxide (III) is een van de meest voorkomende oxiden op aarde. Het wordt vooral gevonden als het mineraal hematiet (of alfa-ijzeroxide, α-Fe2O3). Een andere stabiele en veelvoorkomende modificatie is maghemiet (of gammamodificatie, γ-Fe2O3). De eerste wordt veel gebruikt in de industrie als rood pigment, de tweede als magnetisch opnamemedium. De twee modificaties verschillen niet alleen in kristalstructuur (alfa-ijzeroxide heeft een hexagonale syngonie en gamma-ijzeroxide heeft een kubische syngonie), maar ook in magnetische eigenschappen. Naast deze vormen van ijzeroxide (III) bestaan er meer exotische modificaties zoals epsilon-, bèta-, zeta- en zelfs glasachtige modificaties. De meest aantrekkelijke fase is epsilon-ijzeroxide, ε-Fe2O3. Deze modificatie heeft een extreem hoge coërcitiekracht (het vermogen van het materiaal om een extern magnetisch veld te weerstaan). De sterkte bereikt 20 kOe bij kamertemperatuur, wat vergelijkbaar is met de parameters van magneten op basis van dure zeldzame aardmetalen. Bovendien absorbeert het materiaal elektromagnetische straling in het subterahertz-frequentiebereik (100-300 GHz) door middel van natuurlijke ferromagnetische resonantie. De frequentie van deze resonantie is een van de criteria voor het gebruik van materialen in draadloze communicatieapparatuur – de 4G-standaard gebruikt megahertz en 5G tientallen gigahertz. Er zijn plannen om het subterahertzbereik te gebruiken als werkbereik in de zesde generatie (6G) draadloze technologie, die vanaf begin jaren 2030 actief in ons leven zal worden geïntroduceerd. Het resulterende materiaal is geschikt voor de productie van converters of absorbercircuits op deze frequenties. Door gebruik te maken van samengestelde ε-Fe2O3-nanopoeders is het bijvoorbeeld mogelijk om verven te maken die elektromagnetische golven absorberen en zo ruimtes afschermen van externe signalen en signalen beschermen tegen afluisteren van buitenaf. Het ε-Fe2O3 zelf kan ook worden gebruikt in 6G-ontvangstapparatuur. Epsilon-ijzeroxide is een uiterst zeldzame en moeilijk te verkrijgen vorm van ijzeroxide. Tegenwoordig wordt het in zeer kleine hoeveelheden geproduceerd, waarbij het proces zelf tot een maand in beslag neemt. Dit sluit uiteraard een brede toepassing ervan uit. De auteurs van de studie ontwikkelden een methode voor versnelde synthese van epsilon-ijzeroxide waarmee de synthesetijd tot één dag kan worden teruggebracht (dat wil zeggen, een volledige cyclus kan meer dan 30 keer sneller worden uitgevoerd!) en de hoeveelheid van het resulterende product kan worden verhoogd. De techniek is eenvoudig te reproduceren, goedkoop en gemakkelijk toepasbaar in de industrie. De materialen die nodig zijn voor de synthese – ijzer en silicium – behoren tot de meest voorkomende elementen op aarde. "Hoewel de epsilon-ijzeroxidefase relatief lang geleden, in 2004, in zuivere vorm werd verkregen, heeft deze nog steeds geen industriële toepassing gevonden vanwege de complexiteit van de synthese, bijvoorbeeld als medium voor magnetische registratie. We zijn erin geslaagd de technologie aanzienlijk te vereenvoudigen", aldus Jevgeni Gorbatsjov, promovendus aan de afdeling Materiaalkunde van de Staatsuniversiteit van Moskou en de eerste auteur van het werk. De sleutel tot succesvolle toepassing van materialen met recordbrekende eigenschappen is onderzoek naar hun fundamentele fysische eigenschappen. Zonder diepgaande studie kan het materiaal jarenlang onterecht in de vergetelheid raken, zoals meer dan eens in de geschiedenis van de wetenschap is gebeurd. Het was de combinatie van materiaalkundigen aan de Staatsuniversiteit van Moskou, die de verbinding synthetiseerden, en natuurkundigen van het MIPT, die deze tot in detail bestudeerden, die de ontwikkeling tot een succes maakten.
Plaatsingstijd: 4 juli 2022 