DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38722-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41656312
تاريخ النشر: 2026-02-09
المؤلف: Ali İhsan Çeli̇k وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تطوير مركبات الجيوبوليمر الخفيفة المعززة بالفيرميكوليت بهدف التخفيف من التلوث الكهرومغناطيسي، الذي أصبح مصدر قلق كبير بسبب انتشار الأجهزة الإلكترونية. استخدمت الدراسة رماد الفحم من الفئة F ونسب مختلفة من الفيرميكوليت (0-100%) مع حلول NaOH بتركيز 10-13 م لإنشاء عينات. تم تقييم الأداء الكهرومغناطيسي من خلال معايير مثل $S_{11}$ و$S_{21}$ وفعالية الحماية (SE) عبر نطاق تردد 3-40 غيغاهرتز، مع التركيز بشكل خاص على 16 غيغاهرتز و32 غيغاهرتز للتحليل التفصيلي. أشارت النتائج إلى أن الخلطات V25-M12 وV50-M12 وV100-M12 أظهرت ت attenuation كهرومغناطيسي عالي، خاصة في نطاق Ka، مع قمم رنين تتجاوز 50 ديسيبل. بالإضافة إلى ذلك، أدى إدخال الفيرميكوليت إلى تقليل الكثافة الحجمية بنسبة 8-17% وأثر على الخصائص الميكروهيكلية، مما عزز خصائص المركبات الخفيفة.
خلصت الدراسة إلى أن الأداء الميكانيكي والكهرومغناطيسي الأمثل تم تحقيقه مع تركيبة من 25% فيرمكوليت و11-13 م NaOH، مما أدى إلى قوة انحناء قدرها 8.9 ميغاباسكال، بينما لوحظت أعلى قوة ضغط (30-32 ميغاباسكال) في العينة الضابطة بدون فيرمكوليت. أكدت تحليل تاكوجي أن هذه التركيبة هي أفضل توازن بين القوة الميكانيكية والحماية الكهرومغناطيسية. كشفت الخصائص الميكروهيكلية عن تشكيل مرحلة هلامية N-A-S-H مهيمنة، مع تعزيز استبدال الفيرميكوليت لهندسة المسام. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن الجيوبوليمرات الخفيفة المعززة بالفيرميكوليت هي مادة مستدامة واعدة لتطبيقات البناء المتقدمة، خاصة في السياقات التي تتطلب حماية فعالة من التداخل الكهرومغناطيسي للتقنيات الناشئة مثل بنية 5G و6G.
النتائج
تركز نتائج هذه الدراسة على فعالية الحماية الكهرومغناطيسية (SE) لمختلف تركيبات الخرسانة، التي تم قياسها بالديسيبل (dB) من خلال حسابات الحماية الميكروويف في الفضاء الحر. يتم تحديد SE من خلال مقارنة قوة الإشارة المرسلة عبر عينات الخرسانة بحالة مرجعية في الفضاء الحر، وفقًا للعلاقة \( SE(f) = S_{21,\text{free}}(f) – S_{21,\text{sample}}(f) \). تشير النتائج إلى أن SE تختلف بشكل كبير عبر طيف الترددات المختبرة من 3-18 غيغاهرتز، حيث أظهرت جميع العينات حماية ضئيلة (0-10 ديسيبل) في النطاق الترددي المنخفض (3-8 غيغاهرتز). ومع ذلك، فوق 10 غيغاهرتز، يتحسن أداء التخفيف بشكل ملحوظ، حيث تصل القيم إلى 30-50 ديسيبل، خاصة للعينات V0-M10 وV25-M10، التي تظهر قيم SE ذروة تبلغ حوالي 35-40 ديسيبل في نطاق 12-18 غيغاهرتز.
تكشف التحليلات الإضافية أن تركيبات معينة، مثل V0-M10، تحقق أعلى قيم SE (45-50 ديسيبل) في نطاق 14-18 غيغاهرتز، مما يبرز تأثير تركيبة المواد والمعايير الهيكلية على أداء الحماية. تسلط الدراسة الضوء على دور آليات الامتصاص والانعكاس في تعزيز التخفيف من التداخل الكهرومغناطيسي (EMI)، خاصة عند الترددات العالية. تشير النتائج إلى أن الشكل الطبقي للخرسانة المعدلة بالفيرميكوليت يساهم في مسارات تشتت متعددة، مما يؤدي إلى تحسين تفريغ الطاقة. بشكل عام، تحدد الأبحاث تركيبات خرسانية واعدة لتطبيقات الحماية من EMI واسعة النطاق، مع التأكيد على الاعتماد الحاسم لـ SE على التردد وخصائص المواد.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على الحاجة الملحة لمواد فعالة للحماية الكهرومغناطيسية بسبب التكامل الواسع للأنظمة الإلكترونية في البنية التحتية الحديثة والمخاطر الصحية المرتبطة بالحقول الكهرومغناطيسية (EMF). تركز الدراسة على مركبات الجيوبوليمر المعدلة بالفيرميكوليت، التي تقترح كحل للتخفيف من التلوث الكهرومغناطيسي. وقد صنفت الوكالة الدولية لأبحاث السرطان (IARC) الحقول الكهرومغناطيسية ذات التردد المنخفض على أنها “المجموعة 2B: ربما مسرطنة للبشر”، مما يبرز أهمية تطوير مواد يمكن أن تحمي من التعرض لـ EMF، خاصة في البيئات الحضرية حيث تكون خطوط الطاقة عالية الجهد شائعة. تؤكد الأبحاث على ضرورة إعادة تقييم مواد البناء وأدائها ضد EMF، داعية إلى حلول هندسية مبتكرة تتماشى مع أهداف الاستدامة.
تتوسع الورقة في خصائص الجيوبوليمرات الفريدة، التي تعتبر بدائل صديقة للبيئة للمواد التقليدية القائمة على الأسمنت، وقدرتها على دمج المنتجات الثانوية الصناعية. يعزز إضافة الفيرميكوليت فعالية الحماية الكهرومغناطيسية (SE) لهذه المركبات من خلال توفير هيكل خفيف الوزن مع تسهيل تشتت الموجات الكهرومغناطيسية داخليًا. تشير النتائج التجريبية إلى أن تغيير نسب الفيرميكوليت وتركيز هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) في خلطات الجيوبوليمر يؤثر بشكل كبير على قوتها الميكانيكية وقدراتها على التخفيف من EMF. تختتم الدراسة بأن دمج أنظمة الجيوبوليمر المعززة بالفيرميكوليت لا يعالج فقط المخاوف الصحية المتعلقة بالتعرض لـ EMF، بل يساهم أيضًا في بناء مبانٍ مستدامة وفعالة من حيث الطاقة، مما يعزز الاقتصاد الدائري في قطاع البناء.
القيود
تسلط القيود في هذه الدراسة الضوء على النتائج الواعدة بشأن النطاق البارامتري الأمثل لمركبات الجيوبوليمر الخفيفة، وتحديدًا 25% فيرمكوليت و11-13 م NaOH، التي تظهر توازنًا بين الخفة والقوة الميكانيكية وقدرات التخفيف الكهرومغناطيسي. يتم وضع هذه المركبات كبدائل مستدامة للتطبيقات في أنظمة الألواح الداخلية، والحواجز الكهرومغناطيسية، والهياكل غير الحاملة. ومع ذلك، تعترف الدراسة بأن المتانة على المدى الطويل واستمرارية التشغيل لهذه المواد تحت ظروف بيئية قاسية لا تزال غير موصوفة.
يجب أن تعطي اتجاهات البحث المستقبلية الأولوية لتقييم أداء المركبات تحت دورات التجمد والذوبان، والشيخوخة الحرارية، والتآكل الكيميائي، نظرًا للطبيعة المسامية للفيرميكوليت. بالإضافة إلى ذلك، فإن التحقيقات في تأثيرات انتشار الرطوبة وامتصاص الماء على السلامة الميكانيكية والثبات العازل أمر بالغ الأهمية. لضمان موثوقية هذه المواد عند توسيع نطاقها لتطبيقات صناعية، يُوصى باختبار العناصر الهيكلية الكبيرة في بيئات توافق كهرومغناطيسي (EMC) حقيقية عبر طيف ترددات أوسع. أخيرًا، قد يستفيد تحسين التوازن بين القوة الميكانيكية وفعالية الحماية (SE) من استراتيجيات تصميم متقدمة، بما في ذلك أنظمة الحشو الهجينة، وتعزيزات الألياف، وتعديلات على أسطح الفيرميكوليت.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38722-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41656312
Publication Date: 2026-02-09
Author(s): Ali İhsan Çeli̇k et al.
Primary Topic: Electromagnetic wave absorption materials
Overview
This research investigates the development of vermiculite-reinforced lightweight geopolymer composites aimed at mitigating electromagnetic pollution, which has become a significant concern due to the proliferation of electronic devices. The study utilized F-class fly ash and varying proportions of vermiculite (0-100%) combined with 10-13 M NaOH solutions to create samples. The electromagnetic performance was assessed through parameters such as $S_{11}$, $S_{21}$, and shielding effectiveness (SE) across the 3-40 GHz frequency range, with specific focus on 16 GHz and 32 GHz for detailed analysis. Results indicated that mixtures V25-M12, V50-M12, and V100-M12 exhibited high electromagnetic attenuation, particularly in the Ka band, with resonance peaks exceeding 50 dB. Additionally, the incorporation of vermiculite reduced bulk density by 8-17% and influenced the microstructural characteristics, enhancing the composites’ lightweight properties.
The study concluded that the optimal mechanical and electromagnetic performance was achieved with a combination of 25% vermiculite and 11-13 M NaOH, yielding a flexural strength of 8.9 MPa, while the highest compressive strength (30-32 MPa) was observed in the control sample without vermiculite. Taguchi analysis confirmed this combination as the best balance between mechanical strength and electromagnetic shielding. Microstructural characterization revealed the formation of a dominant N-A-S-H gel phase, with vermiculite substitution enhancing the pore architecture. Overall, the findings suggest that vermiculite-reinforced lightweight geopolymers are a promising sustainable material for advanced construction applications, particularly in contexts requiring effective electromagnetic interference protection for emerging technologies like 5G and 6G infrastructure.
Results
The results of this study focus on the electromagnetic shielding effectiveness (SE) of various concrete compositions, quantified in decibels (dB) through free-space microwave shielding calculations. The SE is determined by comparing the transmitted signal power through concrete samples to a reference free-space condition, following the relation \( SE(f) = S_{21,\text{free}}(f) – S_{21,\text{sample}}(f) \). The findings indicate that the SE varies significantly across the tested frequency spectrum of 3-18 GHz, with all samples exhibiting minimal shielding (0-10 dB) in the low-frequency range (3-8 GHz). However, above 10 GHz, the attenuation performance improves markedly, reaching values of 30-50 dB, particularly for samples V0-M10 and V25-M10, which demonstrate peak SE values of approximately 35-40 dB in the 12-18 GHz range.
Further analysis reveals that specific formulations, such as V0-M10, achieve the highest SE values (45-50 dB) in the 14-18 GHz band, underscoring the influence of material composition and structural parameters on shielding performance. The study highlights the role of absorption and reflection mechanisms in enhancing electromagnetic interference (EMI) attenuation, particularly at higher frequencies. The results suggest that the layered morphology of vermiculite-modified concrete contributes to multiple scattering paths, leading to improved energy dissipation. Overall, the research identifies promising concrete formulations for broadband EMI shielding applications, emphasizing the critical dependence of SE on frequency and material characteristics.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the pressing need for effective electromagnetic shielding materials due to the pervasive integration of electronic systems in modern infrastructure and the associated health risks from electromagnetic fields (EMF). The study focuses on vermiculite-modified geopolymer composites, which are proposed as a solution to mitigate electromagnetic pollution. The International Agency for Research on Cancer (IARC) has classified low-frequency EMFs as “Group 2B: Possibly Carcinogenic to Humans,” emphasizing the urgency of developing materials that can protect against EMF exposure, particularly in urban environments where high-voltage power lines are prevalent. The research underscores the necessity for a reevaluation of building materials and their performance against EMF, advocating for innovative engineering solutions that align with sustainability goals.
The paper further elaborates on the unique properties of geopolymers, which are environmentally friendly alternatives to traditional cement-based materials, and their ability to incorporate industrial by-products. The addition of vermiculite enhances the electromagnetic shielding effectiveness (SE) of these composites by providing a lightweight structure while facilitating internal scattering of electromagnetic waves. Experimental results indicate that varying the proportions of vermiculite and sodium hydroxide (NaOH) molarity in geopolymer mixtures significantly influences their mechanical strength and EMF attenuation capabilities. The study concludes that the integration of vermiculite-reinforced geopolymer systems not only addresses health concerns related to EMF exposure but also contributes to the construction of sustainable, energy-efficient buildings, thereby promoting a circular economy in the construction sector.
Limitations
The limitations of this study highlight the promising findings regarding the optimal parametric range for lightweight geopolymer composites, specifically 25% vermiculite and 11-13 M NaOH, which demonstrate a balance of lightness, mechanical strength, and electromagnetic damping capabilities. These composites are positioned as sustainable alternatives for applications in interior panel systems, electromagnetic barriers, and non-load-bearing structures. However, the study acknowledges that the long-term durability and operational continuity of these materials under extreme environmental conditions remain uncharacterized.
Future research directions should prioritize the assessment of the composites’ performance under freeze-thaw cycles, thermal aging, and chemical corrosion, given the porous nature of vermiculite. Additionally, investigations into moisture diffusion and water absorption effects on mechanical integrity and dielectric stability are crucial. To ensure the reliability of these materials when scaled to industrial applications, testing of large-scale structural elements in real electromagnetic compatibility (EMC) environments across a wider frequency spectrum is recommended. Lastly, optimizing the balance between mechanical strength and shielding effectiveness (SE) may benefit from advanced design strategies, including hybrid filler systems, fiber reinforcements, and modifications to vermiculite surfaces.