■本報(bào)見(jiàn)習(xí)記者 田瑞穎

電磁輻射在日常生活中無(wú)處不在，除了太陽(yáng)光等天然存在的電磁波，以電磁技術(shù)為基礎(chǔ)的許多發(fā)明創(chuàng)造都會(huì)向空間輻射電磁能量。如何避免過(guò)度電磁輻射污染成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。

“要使材料同時(shí)擁有優(yōu)秀的屏蔽和高效的電磁吸收性能，實(shí)現(xiàn)綠色屏蔽是非常困難的，因?yàn)椴牧系奈蘸头瓷渲g存在相反的依賴關(guān)系。”北京理工大學(xué)教授曹茂盛在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示。

為了解決這一難題，曹茂盛團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新型多孔納米纖維，能兼顧電磁吸收和屏蔽性能?！斑@意味著材料自身的本征衰減性能很強(qiáng)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)電磁吸收和屏蔽的工作狀態(tài)，對(duì)5G智能時(shí)代的通信及國(guó)防高技術(shù)領(lǐng)域的多功能器件研發(fā)有重要作用?！?/p>

該成果近日發(fā)表于《納微快報(bào)》。

“魚(yú)和熊掌可以兼得”

在超長(zhǎng)距離能量傳輸、軍事隱身、電氣設(shè)備抗干擾等方面，電磁功能材料發(fā)揮著重要作用。近幾十年來(lái)，涌現(xiàn)出許多有價(jià)值的吸波材料，如碳材料、金屬基材料、聚合物等。

“傳統(tǒng)電磁屏蔽材料，主要通過(guò)金屬導(dǎo)電材料提高屏蔽效能，電磁波無(wú)法穿透材料，進(jìn)而通過(guò)反射的方式進(jìn)入環(huán)境，但強(qiáng)烈的二次反射可能會(huì)對(duì)其他‘鄰居’造成影響?！辈苊?duì)記者說(shuō)。

為了消除電磁輻射對(duì)環(huán)境的影響，打造環(huán)境友好型屏蔽材料，2010年，曹茂盛開(kāi)始帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)以碳纖維為研究對(duì)象，研發(fā)兼?zhèn)涓咝щ姶盼蘸碗姶牌帘蔚牟牧希淳G色電磁屏蔽材料。

“由于吸收和反射之間的競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，電磁屏蔽材料的反射越高，其吸收能力就越弱，要找到電磁吸收和屏蔽性能的平衡點(diǎn)十分困難。”曹茂盛說(shuō)。

當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)綠色屏蔽材料的研究并不多，但他知道，電磁特性與電子器件相結(jié)合是先進(jìn)電磁器件創(chuàng)新和突破的必然趨勢(shì)。

經(jīng)過(guò)多年探索，曹茂盛團(tuán)隊(duì)通過(guò)雙模板方法剪裁了多孔鈷酸鎳納米纖維結(jié)構(gòu)，調(diào)控了極化和電荷傳輸特性，獲得了兼?zhèn)潆姶盼蘸推帘涡阅艿拟捤徭嚰{米纖維?！斑@是一種優(yōu)秀的綠色屏蔽材料”。

“這種多孔納米結(jié)構(gòu)是由空心或多腔納米球組裝而成的纖維結(jié)構(gòu)，表面粗糙不平，內(nèi)部具有許多孔洞。粗糙的表面提高了多重反射和散射的概率，多重孔洞則降低了材料有效密度?！闭撐牡谝蛔髡摺⒈本├砉ご髮W(xué)博士張敏告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

曹茂盛指出，多孔納米結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、高比表面、電子傳輸通道豐富等特征，在催化、超級(jí)電容器、電磁衰減等領(lǐng)域，特別是電磁性能方面具有很大潛力，透徹理解其生長(zhǎng)機(jī)理有助于調(diào)控材料性能，對(duì)促進(jìn)電磁功能材料的創(chuàng)新具有重要意義。

源于大自然的靈感

讓材料兼顧高效電磁吸收和屏蔽的關(guān)鍵在于納米結(jié)構(gòu)，而曹茂盛團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了上千次的材料實(shí)驗(yàn)，但都沒(méi)有取得理想效果。

雷達(dá)波一旦進(jìn)入森林就會(huì)失效，這些自然現(xiàn)象突然點(diǎn)醒了曹茂盛：“原來(lái)生物界就有最好的吸波屏蔽材料結(jié)構(gòu)！”

為此，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始對(duì)自然界的屏蔽材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并借助仿生學(xué)和生態(tài)學(xué)原理進(jìn)行了大量嘗試，研究了工藝條件對(duì)材料結(jié)構(gòu)和形貌的影響，據(jù)此剪裁材料的空間維度，構(gòu)筑三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)比對(duì)分析，最終獲得了具有綠色屏蔽功能的鈷酸鎳納米纖維，探明了電磁吸收和電磁屏蔽的工作狀態(tài)及平衡機(jī)制。

曹茂盛認(rèn)為，科研的靈感離不開(kāi)長(zhǎng)期的積累和不間斷的探索，同時(shí)還要開(kāi)展交叉學(xué)科的創(chuàng)新研究。

然而新事物從產(chǎn)生到被接受并非易事，最初有關(guān)綠色屏蔽材料文章的發(fā)表可謂一波三折?！盎A(chǔ)研究的創(chuàng)新，不僅僅是發(fā)表文章，更重要的是每篇論文可以給同行帶來(lái)怎樣的觀點(diǎn)和啟發(fā)，也就是常說(shuō)的新材料、新結(jié)構(gòu)、新機(jī)制、新規(guī)律?！辈苊⒄f(shuō)。

論文共同第一作者、北京理工大學(xué)博士韓陳指出，目前，多孔納米纖維的綠色屏蔽性能還有進(jìn)一步優(yōu)化的潛力，接下來(lái)，他們還要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新的精確剪裁策略以提高材料的有效吸收，并找到平衡吸收和反射的最佳電導(dǎo)率，這也是未來(lái)的挑戰(zhàn)。

享受科研過(guò)程

10年前，在曹茂盛團(tuán)隊(duì)剛開(kāi)始對(duì)綠色屏蔽材料進(jìn)行研究時(shí)，國(guó)內(nèi)外鮮有此方面的報(bào)道。在這條未知的道路上“摸著石頭過(guò)河”，他從未感到過(guò)枯燥或茫然，而是十分享受。

“實(shí)際上，我們還有很多其他方面的研究，綠色屏蔽材料并非主戰(zhàn)場(chǎng)，但具有很重要的意義，而科學(xué)問(wèn)題具有很多共通之處，這一研究成果凝集了許多屆師生共同的力量。”曹茂盛告訴記者。

對(duì)于綠色屏蔽材料的應(yīng)用前景，曹茂盛非常有信心?！熬哂芯G色屏蔽性能的多孔材料將在電磁吸收和屏蔽領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，特別是在電磁輻射防護(hù)器具、無(wú)線電磁傳感器件方面具有一定的市場(chǎng)前景?！?/p>

對(duì)于這種新型屏蔽材料的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，曹茂盛也有自己的設(shè)想。“雖然前期投入了較高的科研成本，但原材料的成本并不高，未來(lái)如果將產(chǎn)品搭載于具有高附加值的先進(jìn)制造成果上，產(chǎn)品的價(jià)格將具有很大優(yōu)勢(shì)。”

“目前該研究成果還處于實(shí)驗(yàn)室階段，要走向產(chǎn)業(yè)化還有一段路程。一方面，要進(jìn)一步探索材料合成制備的細(xì)節(jié)，確立產(chǎn)品的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；另一方面要降低材料生產(chǎn)成本，完善制造工藝，實(shí)現(xiàn)綠色屏蔽材料產(chǎn)業(yè)化?！辈苊⒈硎尽?/p>

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1007/s40820-020-00552-9