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  瑞士聯(lián)邦聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究室（EMPA）曾志輝（Zhihui Zeng）博士研究員團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種具備超輕仿生且具有優(yōu)異屏蔽效應(yīng)和良好機(jī)械柔韌性的屏蔽氣凝膠材料，這種材料密度只有1.5至8.0 mg/cm³，兼具有優(yōu)秀的屏蔽效能（SE）, 其EMI屏蔽效果分別可達(dá)到35.5 和74.6 dB。歸一化表面的屏蔽效能SSE(材料屏蔽效能除以材料的厚度及密度)能達(dá)到189400 dB cm²/g，大大超過了迄今為止報(bào)道的其他大部分EMI屏蔽材料。該工作利用超薄纖維素納米纖維（CNF）來協(xié)同構(gòu)建具有定向仿生孔壁的超低密度MXenes氣凝膠，且首次揭示了定向孔壁與入射EM波電場(chǎng)方向之間的角度對(duì)EMI屏蔽性能有著顯著影響，提出了一種新穎的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略。

  電磁屏蔽（EMI）在便攜式電子設(shè)備、無線通信、航空航天、軍事和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域至關(guān)重要，是保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)不可或缺的手段。隨著新型電子器件的發(fā)展，迫切需要輕量化、柔韌性好、EMI性能好的材料。針對(duì)這種需求，研究者已經(jīng)開發(fā)了眾多功能性導(dǎo)電納米復(fù)合材料或組件，如基于碳納米管（CNT）、石墨烯、過渡金屬碳化物（MXene）和金屬納米纖維的材料。其中，在自支撐的EMI材料中引入多孔結(jié)構(gòu)，通過增加入射電磁波的反射次數(shù)可以有效提高屏蔽效能（SE），這種做法越來越受到人們的青睞。曾志輝團(tuán)隊(duì)率先設(shè)計(jì)各向異性多孔狀屏蔽泡沫（Adv. Funct. Mater. 2016, 26 (2), 303-310, Small, 2017, 13 (34), 1701388），首次證明孔結(jié)構(gòu)形狀對(duì)屏蔽性能具有重要的影響，為后來大量研發(fā)該類電磁屏蔽材料提供了基礎(chǔ)。同時(shí)該團(tuán)隊(duì)提出歸一化表面的屏蔽效能SSE(材料屏蔽效能除以材料的厚度及密度)參數(shù)（Carbon，2016，96, 768-777， Adv. Funct. Mater. 2016, 26 (2), 303-310），充分有效對(duì)電磁屏蔽材料輕量化性能進(jìn)行定量化比較，在該領(lǐng)域受到廣大研究者的采納。然而如何設(shè)計(jì)更多多孔結(jié)構(gòu)，更深入了解電磁波與多孔結(jié)構(gòu)的相互作用，同時(shí)如何有效的提高材料屏蔽性能SE及SSE一直是研究者面臨的巨大挑戰(zhàn)。

  曾志輝團(tuán)隊(duì)基于以上現(xiàn)狀，利用天然高分子纖維素纖維，成功制備了穩(wěn)定的CNF分散體，這些CNF的帶有大量親水性基團(tuán)，可以和MXene均勻混合在水中而無需添加其他表面活性劑，同時(shí)這些CNF 具有超細(xì)尺寸（平均直徑只有1.4nm），不僅能夠有效的組裝MXene形成具有貝殼類似的“磚-泥”仿生結(jié)構(gòu)，提高材料力學(xué)性能，是的材料具有更低密度，還能最小化MXene片層之間的接觸電阻，提高材料導(dǎo)電性能， CNF在氣凝膠制造過程中還可以作為有效的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，從而形成定向互連的MXene混合孔壁，設(shè)計(jì)獲得類蜂窩仿生結(jié)構(gòu)的各向異性多孔結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過有效調(diào)控納米纖維素含量，孔隙率大小，及取向孔壁與入射電磁波電磁方向等靈活有效的調(diào)節(jié)了電磁屏蔽性能，最終實(shí)現(xiàn)超低密度，高電磁屏蔽性能的仿生氣凝膠，為其它相關(guān)研究提供了重要參考。改工作近期以題為“Nanocellulose-MXene Biomimetic Aerogels with Orientation-Tunable Electromagnetic Interference Shielding Performance”的論文發(fā)表在《Advanced Science》上。該工作得到瑞士聯(lián)邦聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究室（EMPA）張傳芳團(tuán)隊(duì)支持及幫助。

圖1. 仿生氣凝膠制備過程及結(jié)構(gòu)表征圖。

圖2. 仿生氣凝膠屏蔽調(diào)控策略。

圖3. 仿生氣凝膠電磁屏蔽性能及比較。

  瑞士聯(lián)邦聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究室（EMPA）曾志輝博士團(tuán)隊(duì)，利用MXene的內(nèi)在特性、結(jié)構(gòu)以及CNF和MXene納米片之間的相互作用，設(shè)計(jì)出一種超低密度、柔韌性好的CNF/MXene仿生氣凝膠，具有超高電磁屏蔽性能。該氣凝膠通過仿生策略，由取向的、完整的孔壁構(gòu)成。其優(yōu)異的EMI屏蔽效果取決于構(gòu)筑單元相互作用及取向的孔壁與電磁波電場(chǎng)之間的夾角。這種超輕型氣凝膠表現(xiàn)出的屏蔽性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了在其他文獻(xiàn)中報(bào)道的大部分EMI屏蔽材料，使得具有極高EMI屏蔽性能的MXene/CNF復(fù)合材料在電子器件中的進(jìn)一步應(yīng)用成為可能。

  原文鏈接：

  Zhihui Zeng, Changxian Wang, Gilberto Siqueira, Daxin Han, Anja Huch, Sina Abdolhosseinzadeh, Jakob Heier

Frank Nüesch, Chuanfang (John) Zhang, Gustav Nystr?m , Nanocellulose‐MXene Biomimetic Aerogels with Orientation‐Tunable Electromagnetic Interference Shielding Performance,  Advanced Science, 2020, 2000979

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202000979

作者介紹：

  近年來，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院聯(lián)邦材料研究所曾志輝博士在電磁屏蔽材料的設(shè)計(jì)、制備、構(gòu)筑及應(yīng)用領(lǐng)域的研究不斷取得新的進(jìn)展。通過探索對(duì)不同導(dǎo)電納米材料及高分子聚合物的制備工藝，原創(chuàng)性地開發(fā)了一系列輕質(zhì)，高效的電磁屏蔽材料，包括首次制備各向異性多孔狀屏蔽材料，證明孔結(jié)構(gòu)形狀對(duì)屏蔽性能具有重要的影響（Adv. Funct. Mater. 2016, Small, 2017），提出歸一化表面的屏蔽效能SSE(材料屏蔽效能除以材料的厚度及密度)概念，充分有效對(duì)電磁屏蔽材料輕量化性能進(jìn)行定量化比較,（Carbo 2016， Adv. Funct. Mater. 2016）， 為電磁屏蔽領(lǐng)域的研究提供了許多重要參考。這些相關(guān)的研究工作以第一作者或通訊作者發(fā)表在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., ACS Nano, Small, JMCA, ACS AMI, Carbon等著名國(guó)際前沿期刊，SCI論文引用1000余次。目前該團(tuán)隊(duì)誠(chéng)邀有志青年加入，共同發(fā)展。