近日，化學(xué)與化工學(xué)院黃英教授和宗蒙副研究員在柔性超寬頻吸波材料方面取得新進(jìn)展，提出了一種通過(guò)液-液相分離策略制備柔性且可修復(fù)的超寬頻電磁波吸收材料的新方法，為下一代柔性電磁材料設(shè)計(jì)提供了普適性方案，在可穿戴電子、軍事隱身等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，研究成果以“A Flexible and Repairable Ultra-Broadband Electromagnetic Wave Absorber by Liquid-Liquid Phase Separation Strategy”為題在國(guó)際期刊Advanced Materials（2025, 10139）上在線(xiàn)發(fā)表。
隨著生物醫(yī)學(xué)和柔性電子設(shè)備的快速發(fā)展，對(duì)高性能電磁波（EMW）吸收材料的需求日益迫切。傳統(tǒng)吸收材料依賴(lài)復(fù)雜的微納結(jié)構(gòu)或苛刻的制備工藝實(shí)現(xiàn)阻抗匹配與衰減平衡，但普遍存在柔性差、不可修復(fù)的缺陷——一旦受損，吸收性能將不可逆衰減。如何開(kāi)發(fā)兼具超寬頻吸收、機(jī)械柔韌性和可修復(fù)能力的材料，成為該領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。
研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種液-液相分離策略制備柔性且可修復(fù)的超寬頻電磁波吸收材料的新方法。通過(guò)在離子液體中光聚合N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM），實(shí)現(xiàn)了聚合物網(wǎng)絡(luò)中富含導(dǎo)電納米通道和大量聚合物鏈/離子液體異質(zhì)界面的微觀(guān)相結(jié)構(gòu)，從而有效平衡了阻抗匹配和衰減，實(shí)現(xiàn)了從5到40 GHz的超寬頻電磁波吸收。同時(shí)寬頻吸波體具備高透明度（≈85%）、強(qiáng)韌性（斷裂強(qiáng)度≈8.2 MPa，斷裂能≈774 kJ m?2）和拉伸性（≈900%應(yīng)變），其電磁波吸收性能修復(fù)率高達(dá)97%。
圖1.凝膠基電磁波吸收體制備的示意圖：離子液體、NIPAM在紫外光下通過(guò)液-液相分離（LLPS）自組裝形成PNIPAM凝膠吸收體的過(guò)程
受無(wú)膜細(xì)胞器構(gòu)建生物細(xì)胞的工作原理的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種凝膠制備策略，該策略將光聚合和液-液相分離集成在同一過(guò)程中，用于構(gòu)建具有仿生微觀(guān)結(jié)構(gòu)的凝膠吸收體。在仿生離子凝膠的設(shè)計(jì)中，研究團(tuán)隊(duì)選擇了具有豐富氫鍵和良好溶解性的N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM），它模仿了生命系統(tǒng)中的基本小分子（如氨基酸和核苷酸）。為了保證凝膠材料化學(xué)結(jié)構(gòu)在環(huán)境條件下的穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)使用了一種通用的二甲基咪唑離子液體作為稀釋劑。在室溫下，紫外線(xiàn)引發(fā)NIPAM聚合成親水性大分子，增加的混合熵誘導(dǎo)相分離過(guò)程。然后，該體系自組裝成具有豐富微相結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電納米通道的凝膠吸收體。通過(guò)這種仿生方法制備的凝膠材料不僅在宏觀(guān)和微觀(guān)層面上具有結(jié)構(gòu)靈活性和可修復(fù)性，而且具有復(fù)雜的異質(zhì)界面，有望實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和衰減的平衡，這是其他方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
圖2.EMW吸收性能與機(jī)理分析：樣品PNIPAM凝膠1–3及對(duì)照組（凝膠2M）在不同厚度下的反射損耗（RL）二維等高線(xiàn)圖（a-d），離子電導(dǎo)率對(duì)比（e），復(fù)介電常數(shù)實(shí)部（ε'）與虛部（ε''）（e），g,h)離子液體、PNIPAM及凝膠1–3的傳導(dǎo)損耗（ε''c）、極化損耗（ε''p）及其占比（g-h），歸一化阻抗|Zin/Z0|（i），史密斯圓圖（空心圓：2 GHz；實(shí)心圓：18 GHz；灰色區(qū)：理想阻抗匹配閾值）（j），凝膠2在2–40 GHz頻段的RL二維圖（k），已報(bào)道吸波材料有效帶寬對(duì)比（l），吸波機(jī)理示意圖（m）
PNIPAM凝膠2在2–40 GHz頻段內(nèi)有效吸收帶寬達(dá)34.96 GHz，覆蓋90%測(cè)試頻段，刷新單層吸波材料紀(jì)錄。機(jī)理分析表明：微相結(jié)構(gòu)形成的導(dǎo)電納米通道顯著提高了凝膠的離子電導(dǎo)率，將離子傳導(dǎo)損耗占比提升至97–98%，同時(shí)異質(zhì)界面優(yōu)化了阻抗匹配，使歸一化阻抗|Z|接近理想值1。史密斯圓圖進(jìn)一步證實(shí)，微相結(jié)構(gòu)使軌跡線(xiàn)緊貼中心區(qū)（完美匹配區(qū)），而對(duì)照組（無(wú)相分離）則嚴(yán)重偏離。上述性能及機(jī)理分析表明自組裝形成的導(dǎo)電納米通道顯著增強(qiáng)了傳導(dǎo)損耗、異質(zhì)界面提高電磁波吸收率優(yōu)化了阻抗匹配，共同提升了吸波性能。
圖3.PNIPAM凝膠拉伸過(guò)程的實(shí)時(shí)照片（a），PNIPAM凝膠1 - 3的代表性拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)（b），PNIPAM凝膠1 - 3的斷裂能和楊氏模量比較（c），PNIPAM凝膠1加載2kg水的物理圖像（d），PNIPAM凝膠1 - 3的楊氏模量與斷裂強(qiáng)度關(guān)系（e），不同應(yīng)變下樣品松弛平衡的2D SAXS圖（f），應(yīng)變誘導(dǎo)聚合物鏈滑移和鏈間氫鍵重建示意圖（g），PNIPAM凝膠1 - 3的頻率掃描（h），PNIPAM凝膠1 - 3的應(yīng)變掃描（i），PNIPAM凝膠2和PNIPAM凝膠2R的代表性拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)（j），PNIPAM凝膠2和PNIPAM凝膠2R樣品的屈服應(yīng)力和應(yīng)變比較（k）
通過(guò)調(diào)節(jié)單體濃度，斷裂強(qiáng)度可在1.0–8.2 MPa間調(diào)控，斷裂能超10? J m?2。1 mm厚凝膠可承載2 kg重物，性能優(yōu)于大多數(shù)的離子凝膠。原位SAXS和拉伸紅外表明，應(yīng)變下氫鍵重構(gòu)與鏈滑移耗散能量。得益于光聚合自組裝特性，破損樣品可以進(jìn)行有效的光修復(fù)，修復(fù)后樣品力學(xué)損失<20%，吸收帶寬恢復(fù)率達(dá)97%。此外，得益于其本征透明/導(dǎo)電/柔性的特性，具備在多功能柔性傳感器方面的應(yīng)用潛力。
該項(xiàng)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目面上項(xiàng)目資助。國(guó)家卓越工程師學(xué)院在讀博士生牛倩倩為第一作者，化學(xué)與化工學(xué)院黃英教授、宗蒙副研究員為通訊作者。
全文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202510139
(文字：宗蒙；審核：姚東東）
