Wissenschaftler erhalten magnetisches Nanopulver für 6G-Technologie
Newswise – Materialwissenschaftler haben eine schnelle Methode zur Herstellung von Epsilon-Eisenoxid entwickelt und ihr Potenzial für Kommunikationsgeräte der nächsten Generation unter Beweis gestellt. Seine hervorragenden magnetischen Eigenschaften machen es zu einem der begehrtesten Materialien, etwa für die kommende 6G-Generation von Kommunikationsgeräten und für langlebige magnetische Aufzeichnungen. Die Arbeit wurde im Journal of Materials Chemistry C, einer Zeitschrift der Royal Society of Chemistry, veröffentlicht. Eisenoxid (III) ist eines der am weitesten verbreiteten Oxide auf der Erde. Es kommt meist als Mineral Hämatit (oder Alpha-Eisenoxid, α-Fe2O3) vor. Eine weitere stabile und häufige Modifikation ist Maghemit (oder Gamma-Modifikation, γ-Fe2O3). Ersteres wird in der Industrie häufig als rotes Pigment und letzteres als magnetisches Aufzeichnungsmedium verwendet. Die beiden Modifikationen unterscheiden sich nicht nur in der Kristallstruktur (Alpha-Eisenoxid hat hexagonale Syngonie und Gamma-Eisenoxid hat kubische Syngonie), sondern auch in den magnetischen Eigenschaften. Zusätzlich zu diesen Formen von Eisenoxid (III) gibt es exotischere Modifikationen wie Epsilon-, Beta-, Zeta- und sogar Glasmodifikationen. Die attraktivste Phase ist Epsilon-Eisenoxid, ε-Fe2O3. Diese Modifikation hat eine extrem hohe Koerzitivkraft (die Fähigkeit des Materials, einem externen Magnetfeld zu widerstehen). Die Stärke erreicht bei Raumtemperatur 20 kOe, was mit den Parametern von Magneten auf Basis teurer Seltenerdelemente vergleichbar ist. Darüber hinaus absorbiert das Material elektromagnetische Strahlung im Sub-Terahertz-Frequenzbereich (100–300 GHz) durch den Effekt der natürlichen ferromagnetischen Resonanz. Die Frequenz dieser Resonanz ist eines der Kriterien für den Einsatz von Materialien in drahtlosen Kommunikationsgeräten – dem 4G Der Standard verwendet Megahertz und 5G mehrere zehn Gigahertz. Es gibt Pläne, den Sub-Terahertz-Bereich als Arbeitsbereich in der drahtlosen Technologie der sechsten Generation (6G) zu nutzen, die ab Anfang der 2030er Jahre für die aktive Einführung in unser Leben vorbereitet wird. Das resultierende Material ist für die Herstellung von Wandlereinheiten oder Absorberschaltungen bei diesen Frequenzen geeignet. Durch die Verwendung zusammengesetzter ε-Fe2O3-Nanopulver wird es beispielsweise möglich sein, Farben herzustellen, die elektromagnetische Wellen absorbieren und so Räume vor Fremdsignalen abschirmen und Signale vor dem Abhören von außen schützen. Das ε-Fe2O3 selbst kann auch in 6G-Empfangsgeräten verwendet werden. Epsilon-Eisenoxid ist eine äußerst seltene und schwer erhältliche Form von Eisenoxid. Heutzutage wird es in sehr kleinen Mengen hergestellt, wobei der Prozess selbst bis zu einem Monat dauert. Dies schließt natürlich eine breite Anwendung aus. Die Autoren der Studie entwickelten eine Methode zur beschleunigten Synthese von Epsilon-Eisenoxid, mit der die Synthesezeit auf einen Tag verkürzt (d. h. ein vollständiger Zyklus mehr als 30-mal schneller durchgeführt werden kann!) und die Menge des resultierenden Produkts erhöht werden kann . Die Technik ist einfach zu reproduzieren, kostengünstig und lässt sich leicht in der Industrie umsetzen, und die für die Synthese benötigten Materialien – Eisen und Silizium – gehören zu den am häufigsten vorkommenden Elementen auf der Erde. „Obwohl die Epsilon-Eisenoxid-Phase schon vor relativ langer Zeit, im Jahr 2004, in reiner Form gewonnen wurde, hat sie aufgrund der Komplexität ihrer Synthese noch keine industrielle Anwendung gefunden, beispielsweise als Medium für die magnetische Aufzeichnung. Es ist uns gelungen, die Technologie erheblich zu vereinfachen“, sagt Jewgeni Gorbatschow, Doktorand am Institut für Materialwissenschaften der Moskauer Staatsuniversität und Erstautor der Arbeit. Der Schlüssel zum erfolgreichen Einsatz von Materialien mit rekordverdächtigen Eigenschaften liegt in der Erforschung ihrer grundlegenden physikalischen Eigenschaften. Ohne eingehendes Studium kann das Material für viele Jahre unverdient in Vergessenheit geraten, wie es in der Geschichte der Wissenschaft mehr als einmal vorgekommen ist. Es war das Tandem aus Materialwissenschaftlern an der Moskauer Staatsuniversität, die die Verbindung synthetisierten, und Physikern am MIPT, die sie eingehend untersuchten, das die Entwicklung zum Erfolg führte.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 04.07.2022 