北航王廣勝教授團隊連發 Adv. Mater./Angew：在雷達-太赫茲-紅外兼容寬頻全向隱身領域發表重要成果
隨著現代探測技術的飛速發展，雷達、太赫茲和紅外等多波段探測手段的應用日益廣泛，如何實現多波段兼容隱身已成為材料科學領域的一項重要挑戰。北航王廣勝團隊接連在國際頂級期刊Angew和Adv. Mater.發表研究成果，分別從多波段兼容隱身材料和仿生結構構筑全向太赫茲響應材料的角度，展示材料設計的前沿進展。這兩項研究不僅在理論上取得了重要進展，還為未來的軍事隱身、通信技術和電磁防護提供新思路。
Adv. Mater.：仿蝴蝶無序孔結構實現全向太赫茲響應的新突破！
太赫茲技術作為本世紀最有前途的顛覆性技術之一，在高速通信、量子信息、生物醫學、雷達隱身等領域激發了眾多需求。高功效、高靈敏度的強場太赫茲光源及探測器等對功能化太赫茲波吸收/屏蔽材料提出更高的要求。然而，基于色散特性的傳統吸波材料存在明顯的角度依賴性，嚴重制約實際應用性，尤其限制全向寬頻隱身技術發展。自然界中生物體經過數百萬年的進化，發展出許多令人驚嘆的結構和功能。蝴蝶翅膀的獨特微結構有效地捕捉和操控光線，實現偽裝、信號傳遞和溫度調節；其中，位置無序是實現角度不敏感性的關鍵因素，通過增強角散射和衍射來降低角度和偏振敏感性。
為了上述問題，北京航空航天大學王廣勝課題組聯合吳曉君課題組模仿紅珠鳳蝶黑翅膀的無序微孔結構，通過電磁模擬優化孔結構參數并成功開發出全向太赫茲波響應特性的仿生無序孔氣凝膠。定向冰模板法制備的無序微孔氣凝膠獲得優異的電磁屏蔽效能和反射損耗分別達到70.32 dB和43.02 dB，實現入射角不敏感（15°~ 60°）特性。無序多孔腔（徑向）可視為諧振群以產生強耦合和多次反射效應，而定向管道（軸向）作為導波系統，通過結構取向調制實現垂直通道模式和平面反射模式之間切換。經聚二甲基硅氧烷封裝后，氣凝膠在保留輕質多孔的同時明顯改善了力學性能、疏水以及抗氧化性，為惡劣環境中的紅外-太赫茲-微波波段電磁防護提供潛在的應用價值。該研究成果以題為“Bioinspired Disordered Aerogel for Omnidirectional Terahertz Response”的論文發表在《Advanced Materials》上。
【仿生多孔結構設計與優化】
全向太赫茲響應特性主要依賴于其亞波長多孔結構及其位置無序度、孔壁導電性。受蝴蝶翅膀中微孔結構與可見光吸收特性的啟發，作者通過電磁仿真模擬深入了解太赫茲波與無序/周期多孔結構的電磁損耗行為，進而優化孔結構參數。仿真結果表明：無序孔相比周期孔結構降低了入射波對局域模式的依賴；無序微孔陣列引導太赫茲波沿側壁傳播，在腔內激發更多共振響應，從而表現出明顯拓寬的S11。以S11峰為目標函數，確定最優結構參數為孔壁厚度為3~4 μm，孔長為175 μm。
圖1. 蝴蝶翅膀的微觀結構以及周期性/無序性孔結構的電磁仿真模擬。
【MXene/CMC氣凝膠的制備】
在最優孔結構參數的指導下，作者以Ti3C2Tx MXene為剛性支撐，羧甲基纖維素（CMC）為“納米膠”，采用定向和雙向冰模板法分別制備無序性和周期性孔結構的氣凝膠。雙重交聯機制確保穩定形成蜂窩狀的無序多孔結構和橋間層狀的長程有序孔結構。MC氣凝膠的壁厚集中分布在2.5~4.0 μm，孔徑呈現出幾十到幾百微米的狹長孔徑，成功復刻最佳尺寸的仿蝴蝶微觀多孔結構。正如我們所期待的，無序孔結構的MC氣凝膠比周期孔結構氣凝膠具有更優異的太赫茲吸波性能。并且定向冰模板法更有利于制備出各種形狀以及大尺寸材料（~22.0 cm）。
圖2. MC復合氣凝膠的制備與結構表征。
【太赫茲響應性能及機理分析】
MC復合氣凝膠的太赫茲屏蔽和吸波性能明顯依賴Ti3C2Tx MXene含量，其電磁屏蔽性能高達70.32 dB，并在整個頻率范圍內均大于60 dB；最大反射損耗值為43.02 dB。在Ti3C2Tx MXene含量較低時，軸向排列的管狀結構具有太赫茲波強響應行為；隨Ti3C2Tx MXene含量的增加，徑向多孔結構逐漸觸發孔腔共振效應，最后轉為反射主導性。仿真結果表明電磁能量損耗主要取決于導電孔壁以及腔體結構單元之間的強耦合和多重反射效應。調節各向異性氣凝膠的結構取向可以誘導切換共振效應的“垂直通道”模式和反射效應的“平板反射”模式。梯度阻抗MC-6-0.5氣凝膠集太赫茲屏蔽與吸波性能于一體，避免二次輻射污染并在0.64-1.50 THz滿足優秀綠色電磁干擾屏蔽標準（gs＞9）。尤其是，MC-6和MC-6-0.5氣凝膠均對入射角度不敏感，極大地拓展了實際應用前景。
圖3. 無序孔結構氣凝膠的太赫茲響應特性。
圖4. 梯度阻抗復合氣凝膠的綠色電磁屏蔽效能及全向吸波機理。
得益于多孔結構的良好隔熱性能和MXene賦予的低紅外發射率，復合氣凝膠的導熱系數和紅外發射率僅為0.03294 W/m·K和0.344，展示出優異的紅外隱身性能。經PDMS封裝處理后，MCP-6氣凝膠的孔隙度略有降低，約為78.09%（MC氣凝膠的孔隙度為94.45%）。在50%壓縮應變下，MCP-6的最大應力可達51.78 kPa，相較MC-6（僅為6.63 kPa）提高了780%；并且氣凝膠由親水性轉變為疏水性，水接觸角為115.05°，為其抗氧化性提供了有利條件。總之，MC氣凝膠兼備紅外隱身性、疏水性和力學性能、微波吸收性能、全向太赫茲波屏蔽-吸收性能，將更有利于滿足各種復雜電磁環境的要求。
圖5. MC氣凝膠的多功能性。
總結：作者提出基于無序孔誘導的全向太赫茲響應及取向調節策略，通過電磁仿真模擬優化孔結構參數并采用定向冰模板法制備出無序孔結構氣凝膠，實現廣角太赫茲屏蔽-吸收、微波吸收、紅外隱身、疏水和抗壓性。這項研究不僅為全向吸波材料的設計提供了新的思路，還展示了仿生設計策略在電磁偽裝與隱身裝置中的巨大潛力。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202418889
Angew：用于雷達-紅外-太赫茲多波段電磁隱身銀納米線/碳納米線纜氣凝膠
開發設計高性能、多頻譜兼容的電磁隱身材料，尤其是在微波、紅外、太赫茲波段，是解決當前多樣化復雜的電磁污染、減少電磁干擾的重要保障。單一材料組分或結構難以同時滿足不同電磁波頻段隱身的需求。氣凝膠材料由于材料選擇多樣化，結構可設計性強等特點，可滿足不同頻率下隱身的電磁響應需求，被認為是實現多頻譜兼容隱身的理想材料。
近日，北京航空航天大學王廣勝教授團隊采用跨尺度多級結構的設計策略，將銀納米線與聚乙烯醇原位交聯、限域熱解后得到規則的納米線纜輕質氣凝膠材料（銀納米線@碳，AgNW@C）。該設計巧妙結合了電耦合異質界面效應、銀納米線低紅外發射率的本征特性以及氣凝膠結構所帶來的優異隔熱性能。實現了在微波、紅外、太赫茲波段多個波段出色的電磁隱身性能。相關工作以“Radar-Terahertz-Infrared Compatible Stealth Coaxial Silver nanowire@Carbon Nano-Cable Aerogel”為題發表在國際權威期刊Angewandte Chemie International Edition上。
【多層級結構設計與制備】
精選的材料和精細的結構設計可產生、增強異質界面電耦合效應和空間共振效應，從而減小多頻譜兼容隱形材料在不同波段電磁特性的差異性。因此，通過有規律地組裝不同功能單元和設計制備多尺度結構材料，為突破多頻譜兼容隱形的限制提供了可能性。在這方面，具有多孔結構和可集成不同材料體系的氣凝膠復合材料為實現雷達-太赫茲-紅外線多光譜兼容隱身提供了可行性。
作者提出的前驅體銀納米線@聚乙烯醇（AgNW@PVA）由水熱反應制備而成。通常情況下，PVA 鏈只有在超過250°C的高溫下才能交聯，而非本研究中的160°C低溫下也能交聯。這是由于銀離子在水熱過程中與PVA發生反應，導致氫原子從PVA上的羥基上脫離，從而在PVA鏈之間形成醚基，促進PVA的交聯，同時Ag離子則被還原成Ag原子和銀納米粒子，在氧化還原過程中發揮著催化劑的關鍵作用。PVA可作為穩定劑和定向生長劑，鈍化銀顆粒的某些結晶表面。銀顆粒沿著特定的非鈍化晶面生長，形成AgNW，而AgNW作為支撐骨架與交聯的PVA鏈纏繞在一起，從而形成了同軸納米結構的AgNW@PVA前驅體。PVA的外殼厚度由水熱反應時間決定，AgNW@PVA氣凝膠的宏觀尺寸取決于反應器的尺寸。在限域熱解過程中，PVA外殼轉化為外碳層，且提供保護層，防止AgNW的氧化，限域熱解后，仍然保持了原有的規則的同軸納米線纜結構。作者對合成的AgNW@C進行了表征，可以觀測到均一規則的一維納米線纜結構。該氣凝膠由規則的同軸納米線纜組成，銀納米線為核心組分，多相雜化碳為外層組分。SEM、TEM和相關的譜學表征等證明該材料實現了預設的組分和結構設計。
圖1. AgNW@C氣凝膠的合成過程（A），AgNW@PVA和AgNW@C-9的低倍SEM照片（B-C），AgNW@PVA和AgNW@C-9的高倍SEM照片（D-E），AgNW@PVA和AgNW@C-9的TEM照片（F-G），AgNW@PVA和AgNW@C-9的元素分布Mapping照片（H-I）。
【微波、紅外、太赫茲多頻譜兼容隱身性能及機理分析】
AgNW@C氣凝膠材料體系表現出組分-結構協同的性能增強效應，銀納米線有利于反射紅外信號，同時大量的異質界面和氣凝膠中大量的孔隙有利于阻隔熱傳導和促進微波-太赫茲電磁波損耗與吸收。微波段的最佳反射損耗超過-60 dB，最佳有效吸收帶寬8.8 GHz；大氣窗口的平均紅外發射率低至0.28，熱導率低至0.034 W/m×K。在0.2-2.0 THz頻率范圍內太赫茲屏蔽性能也超過60 dB。開爾文探針力顯微鏡和COMSOL多物理場電磁仿真模擬表明該結構中的異質界面對于不同波段的電磁波具有顯著增強的界面極化效用，有利于微波和太赫茲波段的損耗和吸收。此外，該AgNW@C氣凝膠材料還表現出良好的穩定性和輕質特性，密度低至4 mg/cm3。
圖2. AgNW@C氣凝膠的微波吸收性能（A-C），太赫茲波段隱身性能（D-E），紅外波段隱身性能（F-G），開爾文探針力顯微鏡照片（I-J），功率損耗電磁仿真模擬（K），兼容隱身機理示意圖（L）。
總結：作者根據不同波段電磁隱身的材料電磁特性需求，采用了液相原位交聯、限域熱解的方法合成了超輕的AgNW@C氣凝膠材料，實現了預設的組成和結構設計。最終，該AgNW@C氣凝膠材料體系在雷達-紅外-太赫茲波段電磁兼容隱身方面表現出優異的綜合性能。這些突出的多頻譜隱形特性使該氣凝膠具有廣泛的軍、民應用前景，該工作為解決多頻譜隱身材料應用中的固有問題提供了一種新策略。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202421090
