Wissenschaftler erhalten magnetisches Nanopulver für 6G-Technologie
Newswise — Materialwissenschaftler haben ein schnelles Verfahren zur Herstellung von Epsilon-Eisenoxid entwickelt und dessen Potenzial für Kommunikationsgeräte der nächsten Generation unter Beweis gestellt. Seine herausragenden magnetischen Eigenschaften machen es zu einem der begehrtesten Materialien, beispielsweise 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. Eisen(III)-oxid ist eines der am weitesten verbreiteten Oxide der Erde. Es kommt hauptsächlich als Mineral Hämatit (oder Alpha-Eisenoxid, α-Fe₂O₃) vor. Eine weitere stabile und häufige Modifikation ist Maghemit (oder Gamma-Modifikation, γ-Fe₂O₃). Erstere wird in der Industrie häufig als rotes Pigment verwendet, letztere als magnetisches Aufzeichnungsmedium. Die beiden Modifikationen unterscheiden sich nicht nur in ihrer Kristallstruktur (Alpha-Eisenoxid hat hexagonale Syngonie, Gamma-Eisenoxid hat kubische Syngonie), sondern auch in ihren magnetischen Eigenschaften. Neben diesen Formen von Eisen(III)oxid gibt es auch exotischere Modifikationen wie Epsilon-, Beta-, Zeta- und sogar Glas-Eisenoxid. Die attraktivste Phase ist Epsilon-Eisenoxid, ε-Fe₂O₃. Diese Modifikation weist eine extrem hohe Koerzitivkraft (die Fähigkeit des Materials, einem äußeren Magnetfeld zu widerstehen) auf. Die Kraft 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 natürlicher ferromagnetischer Resonanz. Die Frequenz dieser Resonanz ist eines der Kriterien für den Einsatz von Materialien in drahtlosen Kommunikationsgeräten – der 4G-Standard verwendet Megahertz und 5G mehrere zehn Gigahertz. Es ist geplant, den Sub-Terahertz-Bereich als Arbeitsbereich in der sechsten Generation (6G) der Mobilfunktechnologie zu nutzen, die ab Anfang der 2030er Jahre aktiv in unser Leben eingeführt werden soll. Das resultierende Material eignet sich für die Herstellung von Wandlereinheiten oder Absorberschaltungen für diese Frequenzen. Beispielsweise können mithilfe von ε-Fe2O3-Nanopulvern Farben hergestellt werden, die elektromagnetische Wellen absorbieren und so Räume vor Fremdsignalen und vor dem Abfangen von Signalen schützen. ε-Fe2O3 selbst kann auch in 6G-Empfangsgeräten eingesetzt werden. Epsilon-Eisenoxid ist eine extrem seltene und schwer zugängliche Form von Eisenoxid. Es wird heute nur in sehr geringen Mengen hergestellt, wobei der Prozess selbst bis zu einem Monat dauert. Dies schließt seine breite Anwendung natürlich aus. Die Autoren der Studie entwickelten eine Methode zur beschleunigten Synthese von Epsilon-Eisenoxid, mit der die Synthesezeit auf einen Tag reduziert werden kann (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 problemlos industriell umsetzen. Die für die Synthese benötigten Materialien – Eisen und Silizium – gehören zu den am häufigsten vorkommenden Elementen auf der Erde. „Obwohl die Epsilon-Eisenoxid-Phase bereits 2004 in reiner Form gewonnen wurde, hat sie aufgrund der Komplexität ihrer Synthese bisher keine industrielle Anwendung gefunden, beispielsweise als Medium für magnetische Aufzeichnungen. Uns ist es gelungen, die Technologie deutlich zu vereinfachen“, sagt Evgeny Gorbachev, Doktorand am Institut für Materialwissenschaften der Moskauer Lomonossow-Universität und Erstautor der Arbeit. Der Schlüssel zur erfolgreichen Anwendung von Materialien mit rekordverdächtigen Eigenschaften liegt in der Erforschung ihrer grundlegenden physikalischen Eigenschaften. Ohne eingehende Untersuchung könnte das Material, wie es in der Wissenschaftsgeschichte schon öfter passiert ist, jahrelang ungerechtfertigt in Vergessenheit geraten. Erst das Tandem aus Materialwissenschaftlern der Moskauer Staatlichen Universität, die die Verbindung synthetisierten, und Physikern des MIPT, die sie detailliert untersuchten, ermöglichte den Erfolg der Entwicklung.
Beitragszeit: 04.07.2022 