اصل جذب اشعه مادون قرمز توسط ترکیبات فلزی چیست و عوامل مؤثر بر آن کدامند؟
ترکیبات فلزی، از جمله ترکیبات عناصر خاکی کمیاب، نقش حیاتی در جذب مادون قرمز دارند. به عنوان پیشرو در ترکیبات فلزات کمیاب و عناصر خاکی کمیاب،شرکت فناوری UrbanMinesتقریباً به یک هشتم مشتریان جهان در زمینه جذب مادون قرمز خدمات ارائه میدهد. برای پاسخگویی به سوالات فنی مشتریان در این زمینه، مرکز تحقیق و توسعه شرکت ما این مقاله را گردآوری کرده است تا به آنها پاسخ دهد.
۱. اصول و ویژگیهای جذب مادون قرمز توسط ترکیبات فلزی
اصل جذب مادون قرمز توسط ترکیبات فلزی عمدتاً مبتنی بر ارتعاش ساختار مولکولی و پیوندهای شیمیایی آنهاست. طیفسنجی مادون قرمز با اندازهگیری گذار ارتعاش درون مولکولی و سطوح انرژی چرخشی، ساختار مولکولی را مطالعه میکند. ارتعاش پیوندهای شیمیایی در ترکیبات فلزی منجر به جذب مادون قرمز، به ویژه پیوندهای فلز-آلی در ترکیبات فلز-آلی، ارتعاش بسیاری از پیوندهای معدنی و ارتعاش قاب کریستالی میشود که در مناطق مختلف طیف مادون قرمز ظاهر میشوند.
عملکرد ترکیبات فلزی مختلف در طیفهای مادون قرمز:
(1). ماده MXene: MXene یک ترکیب دوبعدی فلز واسطه-کربن/نیتروژن با اجزای غنی، رسانایی فلزی، سطح ویژه بزرگ و سطح فعال است. این ماده نرخ جذب مادون قرمز متفاوتی در باندهای مادون قرمز نزدیک و مادون قرمز میانی/دور دارد و در سالهای اخیر به طور گسترده در استتار مادون قرمز، تبدیل فوتوترمال و سایر زمینهها مورد استفاده قرار گرفته است.
(2). ترکیبات مس: ترکیبات مس حاوی فسفر در بین جاذبهای مادون قرمز عملکرد خوبی دارند و به طور مؤثر از پدیده سیاه شدن ناشی از اشعه ماوراء بنفش جلوگیری میکنند و خواص انتقال نور مرئی عالی و جذب مادون قرمز را برای مدت طولانی به طور پایدار حفظ میکنند.
موارد کاربرد عملی
(1). استتار مادون قرمز: مواد MXene به دلیل خواص عالی جذب مادون قرمز، به طور گسترده در استتار مادون قرمز مورد استفاده قرار میگیرند. آنها میتوانند به طور موثری ویژگیهای مادون قرمز هدف را کاهش داده و اختفا را بهبود بخشند.
(2). تبدیل فوتوترمال: مواد MXene دارای ویژگیهای انتشار کم در باندهای مادون قرمز میانی/دور هستند که برای کاربردهای تبدیل فوتوترمال مناسب هستند و میتوانند انرژی نور را به طور مؤثر به انرژی گرمایی تبدیل کنند.
(3). مواد پنجره: ترکیبات رزینی حاوی جاذبهای مادون قرمز در مواد پنجره برای مسدود کردن مؤثر اشعههای مادون قرمز و بهبود بهرهوری انرژی استفاده میشوند.
این موارد کاربردی، تنوع و کاربردی بودن ترکیبات فلزی در جذب مادون قرمز، به ویژه نقش مهم آنها در علم و صنعت مدرن را نشان میدهند.
۲. کدام ترکیبات فلزی میتوانند پرتوهای مادون قرمز را جذب کنند؟
ترکیبات فلزی که میتوانند اشعه مادون قرمز را جذب کنند عبارتند از:اکسید قلع آنتیموان (ATO), اکسید قلع ایندیوم (ITO)، اکسید آلومینیوم روی (AZO)، تری اکسید تنگستن (WO3)، تتراکسید آهن (Fe3O4) و تیتانات استرانسیم (SrTiO3).
۲.۱ ویژگیهای جذب مادون قرمز ترکیبات فلزی
اکسید قلع آنتیموان (ATO): میتواند نور نزدیک به مادون قرمز با طول موج بیشتر از ۱۵۰۰ نانومتر را محافظت کند، اما نمیتواند نور فرابنفش و نور مادون قرمز با طول موج کمتر از ۱۵۰۰ نانومتر را محافظت کند.
اکسید قلع ایندیوم (ITO): مشابه ATO، این ماده اثر محافظتی در برابر نور نزدیک به مادون قرمز دارد.
اکسید آلومینیوم روی (AZO): همچنین عملکرد محافظت از نور نزدیک به مادون قرمز را دارد.
تری اکسید تنگستن (WO3): این ماده دارای اثر رزونانس پلاسمون سطحی موضعی و مکانیسم جذب پولارون کوچک است، میتواند تابش مادون قرمز با طول موج 780-2500 نانومتر را محافظت کند و غیرسمی و ارزان است.
Fe3O4: این ماده دارای خواص جذب مادون قرمز و پاسخ حرارتی خوبی است و اغلب در حسگرها و آشکارسازهای مادون قرمز استفاده میشود.
تیتانات استرانسیم (SrTiO3): دارای جذب مادون قرمز عالی و خواص نوری است که برای حسگرها و آشکارسازهای مادون قرمز مناسب است.
اربیم فلوراید (ErF3): یک ترکیب خاکی کمیاب است که میتواند اشعه مادون قرمز را جذب کند. اربیم فلوراید دارای بلورهای رز رنگ، نقطه ذوب ۱۳۵۰ درجه سانتیگراد، نقطه جوش ۲۲۰۰ درجه سانتیگراد و چگالی ۷.۸۱۴ گرم بر سانتیمتر مکعب است. این ماده عمدتاً در پوششهای نوری، دوپینگ فیبر، کریستالهای لیزر، مواد اولیه تک کریستال، تقویتکنندههای لیزر، افزودنیهای کاتالیزور و سایر زمینهها استفاده میشود.
۲.۲ کاربرد ترکیبات فلزی در مواد جاذب مادون قرمز
این ترکیبات فلزی به طور گسترده در مواد جاذب مادون قرمز استفاده میشوند. به عنوان مثال، ATO، ITO و AZO اغلب در پوششهای شفاف رسانا، آنتیاستاتیک، محافظ در برابر اشعه و الکترودهای شفاف استفاده میشوند. WO3 به دلیل عملکرد عالی در محافظت در برابر مادون قرمز نزدیک و خواص غیرسمی، به طور گسترده در مواد مختلف عایق حرارتی، جذب و بازتاب مادون قرمز استفاده میشود. این ترکیبات فلزی به دلیل ویژگیهای منحصر به فرد جذب مادون قرمز، نقش مهمی در زمینه فناوری مادون قرمز ایفا میکنند.
۲.۳ کدام ترکیبات عناصر خاکی کمیاب میتوانند پرتوهای مادون قرمز را جذب کنند؟
در میان عناصر خاکی کمیاب، هگزابورید لانتانیم و بورید لانتانیم در اندازه نانو میتوانند پرتوهای مادون قرمز را جذب کنند.هگزابورید لانتانیم (LaB6)مادهای است که به طور گسترده در رادار، هوافضا، صنایع الکترونیک، ابزار دقیق، تجهیزات پزشکی، متالورژی لوازم خانگی، حفاظت از محیط زیست و سایر زمینهها مورد استفاده قرار میگیرد. به طور خاص، تک بلور هگزابورید لانتانیم مادهای برای ساخت لولههای الکترونی پرقدرت، مگنترونها، پرتوهای الکترونی، پرتوهای یونی و کاتدهای شتابدهنده است.
علاوه بر این، بورید لانتانیم در مقیاس نانو خاصیت جذب اشعه مادون قرمز را نیز دارد. از آن در پوشش سطح ورقهای فیلم پلیاتیلن برای جلوگیری از اشعه مادون قرمز ناشی از نور خورشید استفاده میشود. بورید لانتانیم در مقیاس نانو، ضمن جذب اشعه مادون قرمز، نور مرئی زیادی را جذب نمیکند. این ماده میتواند از ورود اشعه مادون قرمز به شیشه پنجره در آب و هوای گرم جلوگیری کند و در آب و هوای سرد میتواند از انرژی نور و گرما به طور مؤثرتری استفاده کند.
عناصر خاکی کمیاب به طور گسترده در بسیاری از زمینهها، از جمله نظامی، انرژی هستهای، فناوری پیشرفته و محصولات مصرفی روزانه استفاده میشوند. به عنوان مثال، لانتانیم برای بهبود عملکرد تاکتیکی آلیاژها در سلاحها و تجهیزات استفاده میشود، گادولینیوم و ایزوتوپهای آن به عنوان جاذب نوترون در حوزه انرژی هستهای و سریم به عنوان افزودنی شیشه برای جذب اشعههای فرابنفش و مادون قرمز استفاده میشوند.
سریم، به عنوان یک افزودنی شیشه، میتواند اشعه ماوراء بنفش و مادون قرمز را جذب کند و اکنون به طور گسترده در شیشه خودرو استفاده میشود. این ماده نه تنها در برابر اشعه ماوراء بنفش محافظت میکند، بلکه دمای داخل خودرو را نیز کاهش میدهد و در نتیجه در مصرف برق برای تهویه مطبوع صرفهجویی میکند. از سال ۱۹۹۷، اکسید سریم به شیشه خودروهای ژاپنی اضافه شده است و در سال ۱۹۹۶ در خودروها مورد استفاده قرار گرفت.
۳. خواص و عوامل مؤثر بر جذب مادون قرمز توسط ترکیبات فلزی
۳.۱ خواص و عوامل مؤثر بر جذب مادون قرمز توسط ترکیبات فلزی عمدتاً شامل جنبههای زیر است:
محدوده نرخ جذب: نرخ جذب ترکیبات فلزی به پرتوهای مادون قرمز بسته به عواملی مانند نوع فلز، حالت سطح، دما و طول موج پرتوهای مادون قرمز متفاوت است. فلزات رایج مانند آلومینیوم، مس و آهن معمولاً نرخ جذب پرتوهای مادون قرمز بین 10 تا 50 درصد در دمای اتاق دارند. به عنوان مثال، نرخ جذب سطح آلومینیوم خالص به پرتوهای مادون قرمز در دمای اتاق حدود 12 درصد است، در حالی که نرخ جذب سطح مس ناهموار ممکن است به حدود 40 درصد برسد.
۳.۲ خواص و عوامل مؤثر بر جذب مادون قرمز توسط ترکیبات فلزی:
انواع فلزات: فلزات مختلف ساختار اتمی و آرایش الکترونی متفاوتی دارند که منجر به قابلیت جذب متفاوت آنها برای پرتوهای مادون قرمز میشود.
شرایط سطح: زبری، لایه اکسید یا پوشش سطح فلز بر میزان جذب تأثیر میگذارد.
دما: تغییرات دما، حالت الکترونیکی درون فلز را تغییر میدهد و در نتیجه بر جذب پرتوهای مادون قرمز تأثیر میگذارد.
طول موج مادون قرمز: طول موجهای مختلف پرتوهای مادون قرمز، قابلیتهای جذب متفاوتی برای فلزات دارند.
تغییرات تحت شرایط خاص: تحت شرایط خاص، میزان جذب اشعه مادون قرمز توسط فلزات ممکن است به طور قابل توجهی تغییر کند. به عنوان مثال، هنگامی که سطح فلز با لایهای از مواد ویژه پوشانده میشود، توانایی آن در جذب اشعه مادون قرمز میتواند افزایش یابد. علاوه بر این، تغییرات در حالت الکترونیکی فلزات در محیطهای با دمای بالا نیز ممکن است منجر به افزایش میزان جذب شود.
زمینههای کاربردی: خواص جذب مادون قرمز ترکیبات فلزی، کاربرد مهمی در فناوری مادون قرمز، تصویربرداری حرارتی و سایر زمینهها دارد. به عنوان مثال، با کنترل پوشش یا دمای سطح فلز، میتوان میزان جذب اشعه مادون قرمز آن را تنظیم کرد و کاربردهایی در اندازهگیری دما، تصویربرداری حرارتی و غیره ارائه داد.
روشهای تجربی و پیشینه تحقیق: محققان میزان جذب پرتوهای مادون قرمز توسط فلزات را از طریق اندازهگیریهای تجربی و مطالعات حرفهای تعیین کردهاند. این دادهها برای درک خواص نوری ترکیبات فلزی و توسعه کاربردهای مرتبط مهم هستند.
به طور خلاصه، خواص جذب مادون قرمز ترکیبات فلزی تحت تأثیر عوامل زیادی قرار دارد و ممکن است تحت شرایط مختلف به طور قابل توجهی تغییر کند. این خواص به طور گسترده در بسیاری از زمینه ها مورد استفاده قرار می گیرند.