מהו העיקרון של תרכובות מתכת הקולטות קרני אינפרא אדום ומהם גורמי ההשפעה שלה?
תרכובות מתכת, כולל תרכובות אדמה נדירות, ממלאות תפקיד מכריע בספיגת אינפרא אדום. כמובילה בתחום מתכות נדירות ותרכובות אדמה נדירות,UrbanMines Tech. ושות' בע"מ. משרת כמעט 1/8 מלקוחות העולם עבור קליטת אינפרא אדום. כדי לענות על פניות טכניות של לקוחותינו בנושא זה, מרכז המחקר והפיתוח של החברה שלנו ריכז מאמר זה כדי לספק תשובות
1. העיקרון והמאפיינים של קליטת אינפרא אדום על ידי תרכובות מתכת
העיקרון של קליטת אינפרא אדום על ידי תרכובות מתכת מבוסס בעיקר על רטט של המבנה המולקולרי והקשרים הכימיים שלהן. ספקטרוסקופיה אינפרא אדום חוקרת את המבנה המולקולרי על ידי מדידת המעבר של רטט תוך מולקולרי ורמות אנרגיה סיבובית. רטט של קשרים כימיים בתרכובות מתכת יוביל לספיגת אינפרא אדום, בעיקר קשרים מתכת-אורגניים בתרכובות מתכת-אורגניות, רטט של קשרים אנאורגניים רבים ורטט מסגרת הגביש, שיופיע באזורים שונים בספקטרום האינפרא אדום.
ביצועים של תרכובות מתכות שונות בספקטרום אינפרא אדום:
(1). חומר MXene: MXene הוא תרכובת מעבר מתכת-פחמן/חנקן דו מימדית עם רכיבים עשירים, מוליכות מתכתית, שטח פנים ספציפי גדול ומשטח פעיל. יש לו שיעורי ספיגת אינפרא אדום שונים ברצועות אינפרא אדום קרוב ובינוני/רחוק ואינפרא אדום והוא נמצא בשימוש נרחב בהסוואה אינפרא אדום, המרה פוטו-תרמית ובתחומים אחרים בשנים האחרונות.
(2).תרכובות נחושת: תרכובות נחושת המכילות זרחן מתפקדות היטב בקרב בולמי אינפרא אדום, מונעות ביעילות את תופעת ההשחרה הנגרמת על ידי קרניים אולטרה סגולות ושומרות על מעבר אור נראה מעולה ותכונות בליעת אינפרא אדום ביציבות לאורך זמן3.
מקרי יישום מעשיים
(1).הסוואה אינפרא אדום: חומרי MXene נמצאים בשימוש נרחב בהסוואה אינפרא אדום בשל תכונות הספיגה האינפרא אדום המצוינות שלהם. הם יכולים להפחית ביעילות את מאפייני האינפרא אדום של המטרה ולשפר את ההסתרה2.
(2).המרה פוטותרמית: לחומרי MXene יש מאפייני פליטה נמוכים ברצועות האינפרא אדום האמצעיות/הרחוקות, המתאימים ליישומי המרה פוטו-תרמית ויכולים להמיר ביעילות אנרגיית אור לאנרגיית חום2.
(3). חומרי חלונות: קומפוזיציות שרף המכילות בולמי אינפרא אדום משמשים בחומרי חלונות כדי לחסום ביעילות קרני אינפרא אדום ולשפר את יעילות האנרגיה 3.
מקרי יישומים אלה מדגימים את הגיוון והמעשיות של תרכובות מתכת בספיגת אינפרא אדום, במיוחד תפקידן החשוב במדע ובתעשייה המודרנית.
2. אילו תרכובות מתכת יכולות לספוג קרני אינפרא אדום?
תרכובות מתכת שיכולות לספוג קרני אינפרא אדום כוללותתחמוצת פח אנטימון (ATO), תחמוצת פח אינדיום (ITO), תחמוצת אבץ אלומיניום (AZO), טריאוקסיד טונגסטן (WO3), טטרוקסיד ברזל (Fe3O4) וסטרונציום טיטנאט (SrTiO3).
2.1 מאפייני ספיגת אינפרא אדום של תרכובות מתכת
תחמוצת פח אנטימונית (ATO): היא יכולה להגן על אור קרוב לאינפרא אדום עם אורך גל גדול מ-1500 ננומטר, אבל לא יכולה להגן על אור אולטרה סגול ואור אינפרא אדום עם אורך גל קטן מ-1500 ננומטר.
"תחמוצת פח אינדיום (ITO): בדומה ל-ATO, יש לו השפעה של מיגון אור קרוב לאינפרא אדום.
תחמוצת אלומיניום אבץ (AZO): יש לו גם את הפונקציה של מיגון אור קרוב לאינפרא אדום.
טריאוקסיד טונגסטן (WO3): יש לו אפקט תהודה פלסמוני מקומי ומנגנון קליטת פולרון קטן, יכול להגן על קרינת אינפרא אדומה עם אורך גל של 780-2500 ננומטר, והוא לא רעיל וזול.
Fe3O4: יש לו תכונות קליטת אינפרא אדום ותגובה תרמית טובים והוא משמש לעתים קרובות בחיישני אינפרא אדום ובגלאים.
Strontium titanate (SrTiO3): בעל קליטת אינפרא אדום ותכונות אופטיות מצוינות, מתאים לחיישני אינפרא אדום ולגלאים.
ארביום פלואוריד (ErF3): הוא תרכובת אדמה נדירה שיכולה לספוג קרני אינפרא אדום. לארביום פלואוריד גבישים בצבע ורדרד, נקודת התכה של 1350°C, נקודת רתיחה של 2200°C וצפיפות של 7.814g/cm³. הוא משמש בעיקר בציפויים אופטיים, סימום סיבים, גבישי לייזר, חומרי גלם חד-גבישים, מגברי לייזר, תוספי זרז ותחומים אחרים.
2.2 יישום תרכובות מתכת בחומרים סופגי אינפרא אדום
תרכובות מתכת אלו נמצאות בשימוש נרחב בחומרי ספיגת אינפרא אדום. לדוגמה, ATO, ITO ו-AZO משמשים לעתים קרובות בציפויים מוליכים שקופים, אנטי סטטיים, מגני קרינה ואלקטרודות שקופות; WO3 נמצא בשימוש נרחב במגוון חומרי בידוד חום, ספיגה והשתקפות אינפרא אדום בשל ביצועי המיגון הקרוב לאינפרא אדום ותכונותיו הלא רעילות. תרכובות מתכת אלו ממלאות תפקיד חשוב בתחום טכנולוגיית האינפרא אדום בשל מאפייני הספיגה הייחודיים להן.
2.3 אילו תרכובות אדמה נדירות יכולות לספוג קרני אינפרא אדום?
בין יסודות האדמה הנדירים, לנטנום הקסבוריד ולנטנום בוריד בגודל ננו יכולים לספוג קרני אינפרא אדום.לנתנום הקסבוריד (LaB6)הוא חומר בשימוש נרחב ברדאר, תעופה וחלל, תעשיית האלקטרוניקה, מכשור, ציוד רפואי, מתכות מכשירי חשמל ביתיים, הגנת הסביבה ותחומים אחרים. בפרט, הלנתנום הקסאבוריד יחיד גביש הוא חומר לייצור צינורות אלקטרונים בעלי הספק גבוה, מגנטונים, אלומות אלקטרונים, אלומות יונים וקתודות מאיץ.
בנוסף, לנטנום בוריד בקנה מידה ננו יש גם את התכונה של קליטת קרני אינפרא אדום. הוא משמש בציפוי על פני השטח של יריעות סרט פוליאתילן כדי לחסום קרני אינפרא אדום מאור השמש. בזמן קליטת קרני אינפרא אדום, לנטנום בוריד בקנה מידה ננו אינו סופג יותר מדי אור נראה. חומר זה יכול למנוע מקרני אינפרא אדום לחדור לזכוכית חלונות באקלים חם, ויכול לנצל בצורה יעילה יותר אנרגיית אור וחום באקלים קר.
יסודות אדמה נדירים נמצאים בשימוש נרחב בתחומים רבים, כולל צבא, אנרגיה גרעינית, טכנולוגיה גבוהה ומוצרי צריכה יומיומיים. לדוגמה, לנתנום משמש לשיפור הביצועים הטקטיים של סגסוגות בכלי נשק וציוד, גדוליניום והאיזוטופים שלו משמשים כבולמי נויטרונים בתחום האנרגיה הגרעינית, וצריום משמש כתוסף זכוכית לקליטת קרני אולטרה סגול ואינפרא אדום.
סריום, כתוסף זכוכית, יכול לספוג קרני אולטרה סגול ואינפרא אדום וכיום נעשה בו שימוש נרחב בזכוכית לרכב. זה לא רק מגן מפני קרניים אולטרה סגולות אלא גם מפחית את הטמפרטורה בתוך המכונית, ובכך חוסך בחשמל למיזוג אוויר. מאז 1997, זכוכית יפנית לרכב נוספה עם תחמוצת cerium, והיא שימשה במכוניות ב-1996.
3.מאפיינים וגורמי השפעה של קליטת אינפרא אדום על ידי תרכובות מתכת
3.1 המאפיינים וגורמי ההשפעה של ספיגת אינפרא אדום על ידי תרכובות מתכת כוללים בעיקר את ההיבטים הבאים:
טווח קצב ספיגה: קצב הספיגה של תרכובות מתכת לקרני אינפרא אדום משתנה בהתאם לגורמים כגון סוג מתכת, מצב פני השטח, טמפרטורה ואורך גל של קרני אינפרא אדום. למתכות נפוצות כגון אלומיניום, נחושת וברזל יש בדרך כלל קצב ספיגה של קרני אינפרא אדום בין 10% ל-50% בטמפרטורת החדר. לדוגמה, שיעור הספיגה של משטח אלומיניום טהור לקרני אינפרא אדום בטמפרטורת החדר הוא כ-12%, בעוד ששיעור הספיגה של משטח נחושת גס עשוי להגיע לכ-40%.
3.2 מאפיינים וגורמים משפיעים של ספיגת אינפרא אדום על ידי תרכובות מתכת:
סוגי מתכות: למתכות שונות יש מבנים אטומיים וסידורי אלקטרונים שונים, וכתוצאה מכך יכולות הקליטה השונות שלהן עבור קרני אינפרא אדום.
מצב פני השטח: החספוס, שכבת התחמוצת או הציפוי של משטח המתכת ישפיעו על קצב הספיגה.
טמפרטורה: שינויי טמפרטורה ישנו את המצב האלקטרוני בתוך המתכת, ובכך ישפיעו על קליטת קרני האינפרה-אדום שלה.
אורך גל אינפרא אדום: לאורכי גל שונים של קרני אינפרא אדום יש יכולות ספיגה שונות של מתכות.
שינויים בתנאים ספציפיים: בתנאים ספציפיים מסוימים, קצב הספיגה של קרני אינפרא אדום על ידי מתכות עשוי להשתנות באופן משמעותי. לדוגמה, כאשר משטח מתכת מצופה בשכבה של חומר מיוחד, ניתן לשפר את יכולתו לקלוט קרני אינפרא אדום. בנוסף, שינויים במצב האלקטרוני של מתכות בסביבות טמפרטורות גבוהות עלולים להוביל גם לעלייה בקצב הספיגה.
שדות יישומים: לתכונות הספיגה באינפרא אדום של תרכובות מתכת יש ערך יישום חשוב בטכנולוגיית אינפרא אדום, הדמיה תרמית ותחומים אחרים. לדוגמה, על ידי שליטה בציפוי או בטמפרטורה של משטח מתכת, ניתן להתאים את קליטת קרני האינפרא אדום שלו, מה שמאפשר יישומים במדידת טמפרטורה, הדמיה תרמית וכו'.
שיטות ניסוי ורקע מחקר: חוקרים קבעו את קצב הספיגה של קרני אינפרא אדום על ידי מתכות באמצעות מדידות ניסיוניות ומחקרים מקצועיים. נתונים אלה חשובים להבנת המאפיינים האופטיים של תרכובות מתכת ולפיתוח יישומים קשורים.
לסיכום, תכונות הספיגה באינפרא אדום של תרכובות מתכת מושפעות מגורמים רבים ועשויות להשתנות באופן משמעותי בתנאים שונים. מאפיינים אלה נמצאים בשימוש נרחב בתחומים רבים.