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浙江大學徐志康/張超團隊、呂朝鋒團隊 Adv. Mater.：超重力場作用下的異質取向納米復合水凝膠-“以少勝多”的電磁屏蔽性能

2024-04-19 來源：高分子科技

納米復合水凝膠具有豐富的結構調控和功能可設計性，能完美集成納米材料和水凝膠各自的獨特功能為一體，在能源、電子、生物醫學和環境科學等領域極具吸引力。具有取向結構的二維納米片復合水凝膠尤為重要，其中的納米片能利用其取向結構強化物質的傳遞與交互，從而展現出優于無序納米復合水凝膠的力學/光學/磁學/電學性能。此類取向納米復合水凝膠的構筑主要基于外場驅動納米片在聚合物溶液中的組裝，涉及電場、磁場、剪切力、機械力和常重力等的利用，也需要對納米片材料進行特定物理化學性質的設計與強化。另一方面，如何簡化制備過程同時提高納米片在納米復合水凝膠中的取向度，依然是一個需要解決的問題。需要發展一種通用策略，能夠操控各種納米片在聚合物中的分布與取向，從而解決取向納米復合水凝膠的制備難題。

浙江大學徐志康教授/張超研究員團隊與呂朝鋒教授團隊合作，提出了一種簡易且通用的超重力驅動納米片可控組裝與堆疊的策略，制備了具有高度定向和異質結構的納米復合水凝膠，打破了傳統力場只適用于特定納米片的限制。不同于傳統力場，超重力包含耦合的正交剪切和離心力場，具有雙向和力可調的屬性，因此能夠驅動納米片在聚合物溶液中高效運動、組裝和堆疊。這種協同效應可以制備具有高取向富含納米片層和富含聚合物層的異質納米復合水凝膠，并且適用于任意性質的納米片材料，包括MXene、MoS₂、GO和 C₃N₄等。有趣的是，取向異質MXene納米復合水凝膠展現出非凡的電磁干擾屏蔽效能，在MXene含量只有0.3 wt%的情況下，其在12.4 GHz波段下電磁干擾屏蔽效能高達 55.2 dB，超越了大多數基于水凝膠的電磁屏蔽材料。進一步結合對照實驗和有限元計算模擬，表明這種“以少勝多”的電磁干擾屏蔽效能主要源于MXene納米復合水凝膠的異質取向結構，此類結構賦予納米復合水凝膠具有獨特的“吸收-反射-再吸收”機制，最大限度地吸收入射電磁波同時減少了電磁波的反射。

圖1. 超重力導向納米復合水凝膠的設計理念與制備方式。

圖2. 超重力導向法制備取向納米復合水凝膠的微觀機理。

圖3. 取向異質MXene納米復合水凝膠的電磁屏蔽性能與機理。

相關工作以“Supergravity‐Steered Generic Manufacturing of Nanosheets‐Embedded Nanocomposite Hydrogel with Highly Oriented, Heterogeneous Architecture”為題發表在Advanced Materials上。論文的第一作者為博士研究生徐廣昌和博士后聶亦涵，張超研究員、呂朝鋒教授和徐志康教授為共同通訊作者。該項工作得到了浙江省自然科學基金重大項目、國家自然科學基金重點項目和面上項目以及國家重點研發計劃的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202400075

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（責任編輯：xu）

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