Tutkijat hankkivat magneettista nanojauhetta 6 dollarillaG-teknologia
Newswise — Materiaalitieteilijät ovat kehittäneet nopean menetelmän epsilon-rautaoksidin tuottamiseksi ja osoittaneet sen lupaavuuden seuraavan sukupolven viestintälaitteissa. Sen erinomaiset magneettiset ominaisuudet tekevät siitä yhden halutuimmista materiaaleista, kuten tulevan 6G-sukupolven viestintälaitteissa ja kestävässä magneettisessa tallennuksessa. Työ julkaistiin Royal Society of Chemistryn lehdessä Journal of Materials Chemistry C. Rautaoksidi (III) on yksi maapallon yleisimmistä oksideista. Sitä esiintyy enimmäkseen hematiittina (tai alfa-rautaoksidina, α-Fe2O3). Toinen vakaa ja yleinen modifikaatio on maghemiitti (tai gammamodifikaatio, γ-Fe2O3). Ensin mainittua käytetään laajalti teollisuudessa punaisena pigmenttinä ja jälkimmäistä magneettisena tallennusvälineenä. Nämä kaksi modifikaatiota eroavat toisistaan paitsi kiteisen rakenteensa (alfa-rautaoksidilla on kuusikulmainen syngonia ja gamma-rautaoksidilla kuutiollinen syngonia) myös magneettisten ominaisuuksiensa suhteen. Näiden rauta(III)oksidimuotojen lisäksi on olemassa eksoottisempia modifikaatioita, kuten epsilon-, beeta-, zeta- ja jopa lasimainen. Houkuttelevin faasi on epsilon-rautaoksidi, ε-Fe2O3. Tällä modifikaatiolla on erittäin korkea koersitiivivoima (materiaalin kyky vastustaa ulkoista magneettikenttää). Lujuus saavuttaa 20 kOe huoneenlämmössä, mikä on verrattavissa kalliisiin harvinaisiin maametalleihin perustuvien magneettien parametreihin. Lisäksi materiaali absorboi sähkömagneettista säteilyä alle terahertsin taajuusalueella (100–300 GHz) luonnollisen ferromagneettisen resonanssin vaikutuksesta. Tällaisen resonanssin taajuus on yksi kriteereistä materiaalien käytölle langattomissa viestintälaitteissa – 4G-standardi käyttää megahertsejä ja 5G kymmeniä gigahertsejä. Alle terahertsin aluetta on tarkoitus käyttää työalueena kuudennen sukupolven (6G) langattomassa teknologiassa, jota valmistellaan aktiiviseen käyttöönottoon elämässämme 2030-luvun alkupuolelta lähtien. Tuloksena oleva materiaali soveltuu muuntoyksiköiden tai absorboivien piirien valmistukseen näillä taajuuksilla. Esimerkiksi käyttämällä komposiitti-ε-Fe2O3-nanojauheita on mahdollista valmistaa maaleja, jotka absorboivat sähkömagneettisia aaltoja ja suojaavat siten huoneita ulkopuolisilta signaaleilta ja suojaavat signaaleja ulkopuolelta tulevalta sieppaukselta. Itse ε-Fe2O3:a voidaan käyttää myös 6G-vastaanottolaitteissa. Epsilon-rautaoksidi on erittäin harvinainen ja vaikeasti hankittava rautaoksidin muoto. Nykyään sitä tuotetaan hyvin pieniä määriä, ja itse prosessi kestää jopa kuukauden. Tämä tietenkin sulkee pois sen laajan soveltamisen. Tutkimuksen tekijät kehittivät menetelmän epsilon-rautaoksidin nopeutetulle synteesille, jolla voidaan lyhentää synteesiaikaa yhteen päivään (eli suorittaa kokonainen sykli yli 30 kertaa nopeammin!) ja lisätä tuloksena olevan tuotteen määrää. Tekniikka on helppo toistaa, halpa ja helposti sovellettavissa teollisuudessa, ja synteesiin tarvittavat materiaalit – rauta ja pii – ovat maapallon runsaimpia alkuaineita. ”Vaikka epsilon-rautaoksidifaasi saatiin puhtaassa muodossaan suhteellisen kauan sitten, vuonna 2004, sitä ei ole vieläkään käytetty teollisesti synteesin monimutkaisuuden vuoksi, esimerkiksi magneettisen tallennuksen väliaineena. Olemme onnistuneet yksinkertaistamaan teknologiaa huomattavasti”, sanoo Jevgeni Gorbatšov, Moskovan valtionyliopiston materiaalitieteen laitoksen tohtoriopiskelija ja työn ensimmäinen kirjoittaja. Ennätysominaisuuksiltaan merkittävien materiaalien onnistuneen soveltamisen avain on niiden fysikaalisten perusominaisuuksien tutkimus. Ilman perusteellista tutkimusta materiaali voi joutua ansaitsemattomasti unohdukseen vuosiksi, kuten tieteen historiassa on tapahtunut useammin kuin kerran. Moskovan valtionyliopiston materiaalitieteilijöiden, jotka syntetisoivat yhdisteen, ja MIPT:n fyysikkojen, jotka tutkivat sitä yksityiskohtaisesti, yhteistyö teki kehityksestä menestyksen.
Julkaisun aika: 04.07.2022 