北航王广胜教授团队连发 Adv. Mater./Angew：在雷达-太赫兹-红外兼容宽频全向隐身领域发表重要成果
随着现代探测技术的飞速发展，雷达、太赫兹和红外等多波段探测手段的应用日益广泛，如何实现多波段兼容隐身已成为材料科学领域的一项重要挑战。北航王广胜团队接连在国际顶级期刊Angew和Adv. Mater.发表研究成果，分别从多波段兼容隐身材料和仿生结构构筑全向太赫兹响应材料的角度，展示材料设计的前沿进展。这两项研究不仅在理论上取得了重要进展，还为未来的军事隐身、通信技术和电磁防护提供新思路。
Adv. Mater.：仿蝴蝶无序孔结构实现全向太赫兹响应的新突破！
太赫兹技术作为本世纪最有前途的颠覆性技术之一，在高速通信、量子信息、生物医学、雷达隐身等领域激发了众多需求。高功效、高灵敏度的强场太赫兹光源及探测器等对功能化太赫兹波吸收/屏蔽材料提出更高的要求。然而，基于色散特性的传统吸波材料存在明显的角度依赖性，严重制约实际应用性，尤其限制全向宽频隐身技术发展。自然界中生物体经过数百万年的进化，发展出许多令人惊叹的结构和功能。蝴蝶翅膀的独特微结构有效地捕捉和操控光线，实现伪装、信号传递和温度调节；其中，位置无序是实现角度不敏感性的关键因素，通过增强角散射和衍射来降低角度和偏振敏感性。
为了上述问题，北京航空航天大学王广胜课题组联合吴晓君课题组模仿红珠凤蝶黑翅膀的无序微孔结构，通过电磁模拟优化孔结构参数并成功开发出全向太赫兹波响应特性的仿生无序孔气凝胶。定向冰模板法制备的无序微孔气凝胶获得优异的电磁屏蔽效能和反射损耗分别达到70.32 dB和43.02 dB，实现入射角不敏感（15°~ 60°）特性。无序多孔腔（径向）可视为谐振群以产生强耦合和多次反射效应，而定向管道（轴向）作为导波系统，通过结构取向调制实现垂直通道模式和平面反射模式之间切换。经聚二甲基硅氧烷封装后，气凝胶在保留轻质多孔的同时明显改善了力学性能、疏水以及抗氧化性，为恶劣环境中的红外-太赫兹-微波波段电磁防护提供潜在的应用价值。该研究成果以题为“Bioinspired Disordered Aerogel for Omnidirectional Terahertz Response”的论文发表在《Advanced Materials》上。
【仿生多孔结构设计与优化】
全向太赫兹响应特性主要依赖于其亚波长多孔结构及其位置无序度、孔壁导电性。受蝴蝶翅膀中微孔结构与可见光吸收特性的启发，作者通过电磁仿真模拟深入了解太赫兹波与无序/周期多孔结构的电磁损耗行为，进而优化孔结构参数。仿真结果表明：无序孔相比周期孔结构降低了入射波对局域模式的依赖；无序微孔阵列引导太赫兹波沿侧壁传播，在腔内激发更多共振响应，从而表现出明显拓宽的S11。以S11峰为目标函数，确定最优结构参数为孔壁厚度为3~4 μm，孔长为175 μm。
图1. 蝴蝶翅膀的微观结构以及周期性/无序性孔结构的电磁仿真模拟。
【MXene/CMC气凝胶的制备】
在最优孔结构参数的指导下，作者以Ti3C2Tx MXene为刚性支撑，羧甲基纤维素（CMC）为“纳米胶”，采用定向和双向冰模板法分别制备无序性和周期性孔结构的气凝胶。双重交联机制确保稳定形成蜂窝状的无序多孔结构和桥间层状的长程有序孔结构。MC气凝胶的壁厚集中分布在2.5~4.0 μm，孔径呈现出几十到几百微米的狭长孔径，成功复刻最佳尺寸的仿蝴蝶微观多孔结构。正如我们所期待的，无序孔结构的MC气凝胶比周期孔结构气凝胶具有更优异的太赫兹吸波性能。并且定向冰模板法更有利于制备出各种形状以及大尺寸材料（~22.0 cm）。
图2. MC复合气凝胶的制备与结构表征。
【太赫兹响应性能及机理分析】
MC复合气凝胶的太赫兹屏蔽和吸波性能明显依赖Ti3C2Tx MXene含量，其电磁屏蔽性能高达70.32 dB，并在整个频率范围内均大于60 dB；最大反射损耗值为43.02 dB。在Ti3C2Tx MXene含量较低时，轴向排列的管状结构具有太赫兹波强响应行为；随Ti3C2Tx MXene含量的增加，径向多孔结构逐渐触发孔腔共振效应，最后转为反射主导性。仿真结果表明电磁能量损耗主要取决于导电孔壁以及腔体结构单元之间的强耦合和多重反射效应。调节各向异性气凝胶的结构取向可以诱导切换共振效应的“垂直通道”模式和反射效应的“平板反射”模式。梯度阻抗MC-6-0.5气凝胶集太赫兹屏蔽与吸波性能于一体，避免二次辐射污染并在0.64-1.50 THz满足优秀绿色电磁干扰屏蔽标准（gs＞9）。尤其是，MC-6和MC-6-0.5气凝胶均对入射角度不敏感，极大地拓展了实际应用前景。
图3. 无序孔结构气凝胶的太赫兹响应特性。
图4. 梯度阻抗复合气凝胶的绿色电磁屏蔽效能及全向吸波机理。
得益于多孔结构的良好隔热性能和MXene赋予的低红外发射率，复合气凝胶的导热系数和红外发射率仅为0.03294 W/m·K和0.344，展示出优异的红外隐身性能。经PDMS封装处理后，MCP-6气凝胶的孔隙度略有降低，约为78.09%（MC气凝胶的孔隙度为94.45%）。在50%压缩应变下，MCP-6的最大应力可达51.78 kPa，相较MC-6（仅为6.63 kPa）提高了780%；并且气凝胶由亲水性转变为疏水性，水接触角为115.05°，为其抗氧化性提供了有利条件。总之，MC气凝胶兼备红外隐身性、疏水性和力学性能、微波吸收性能、全向太赫兹波屏蔽-吸收性能，将更有利于满足各种复杂电磁环境的要求。
图5. MC气凝胶的多功能性。
总结：作者提出基于无序孔诱导的全向太赫兹响应及取向调节策略，通过电磁仿真模拟优化孔结构参数并采用定向冰模板法制备出无序孔结构气凝胶，实现广角太赫兹屏蔽-吸收、微波吸收、红外隐身、疏水和抗压性。这项研究不仅为全向吸波材料的设计提供了新的思路，还展示了仿生设计策略在电磁伪装与隐身装置中的巨大潜力。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202418889
Angew：用于雷达-红外-太赫兹多波段电磁隐身银纳米线/碳纳米线缆气凝胶
开发设计高性能、多频谱兼容的电磁隐身材料，尤其是在微波、红外、太赫兹波段，是解决当前多样化复杂的电磁污染、减少电磁干扰的重要保障。单一材料组分或结构难以同时满足不同电磁波频段隐身的需求。气凝胶材料由于材料选择多样化，结构可设计性强等特点，可满足不同频率下隐身的电磁响应需求，被认为是实现多频谱兼容隐身的理想材料。
近日，北京航空航天大学王广胜教授团队采用跨尺度多级结构的设计策略，将银纳米线与聚乙烯醇原位交联、限域热解后得到规则的纳米线缆轻质气凝胶材料（银纳米线@碳，AgNW@C）。该设计巧妙结合了电耦合异质界面效应、银纳米线低红外发射率的本征特性以及气凝胶结构所带来的优异隔热性能。实现了在微波、红外、太赫兹波段多个波段出色的电磁隐身性能。相关工作以“Radar-Terahertz-Infrared Compatible Stealth Coaxial Silver nanowire@Carbon Nano-Cable Aerogel”为题发表在国际权威期刊Angewandte Chemie International Edition上。
【多层级结构设计与制备】
精选的材料和精细的结构设计可产生、增强异质界面电耦合效应和空间共振效应，从而减小多频谱兼容隐形材料在不同波段电磁特性的差异性。因此，通过有规律地组装不同功能单元和设计制备多尺度结构材料，为突破多频谱兼容隐形的限制提供了可能性。在这方面，具有多孔结构和可集成不同材料体系的气凝胶复合材料为实现雷达-太赫兹-红外线多光谱兼容隐身提供了可行性。
作者提出的前驱体银纳米线@聚乙烯醇（AgNW@PVA）由水热反应制备而成。通常情况下，PVA 链只有在超过250°C的高温下才能交联，而非本研究中的160°C低温下也能交联。这是由于银离子在水热过程中与PVA发生反应，导致氢原子从PVA上的羟基上脱离，从而在PVA链之间形成醚基，促进PVA的交联，同时Ag离子则被还原成Ag原子和银纳米粒子，在氧化还原过程中发挥着催化剂的关键作用。PVA可作为稳定剂和定向生长剂，钝化银颗粒的某些结晶表面。银颗粒沿着特定的非钝化晶面生长，形成AgNW，而AgNW作为支撑骨架与交联的PVA链缠绕在一起，从而形成了同轴纳米结构的AgNW@PVA前驱体。PVA的外壳厚度由水热反应时间决定，AgNW@PVA气凝胶的宏观尺寸取决于反应器的尺寸。在限域热解过程中，PVA外壳转化为外碳层，且提供保护层，防止AgNW的氧化，限域热解后，仍然保持了原有的规则的同轴纳米线缆结构。作者对合成的AgNW@C进行了表征，可以观测到均一规则的一维纳米线缆结构。该气凝胶由规则的同轴纳米线缆组成，银纳米线为核心组分，多相杂化碳为外层组分。SEM、TEM和相关的谱学表征等证明该材料实现了预设的组分和结构设计。
图1. AgNW@C气凝胶的合成过程（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、红外、太赫兹多频谱兼容隐身性能及机理分析】
AgNW@C气凝胶材料体系表现出组分-结构协同的性能增强效应，银纳米线有利于反射红外信号，同时大量的异质界面和气凝胶中大量的孔隙有利于阻隔热传导和促进微波-太赫兹电磁波损耗与吸收。微波段的最佳反射损耗超过-60 dB，最佳有效吸收带宽8.8 GHz；大气窗口的平均红外发射率低至0.28，热导率低至0.034 W/m×K。在0.2-2.0 THz频率范围内太赫兹屏蔽性能也超过60 dB。开尔文探针力显微镜和COMSOL多物理场电磁仿真模拟表明该结构中的异质界面对于不同波段的电磁波具有显著增强的界面极化效用，有利于微波和太赫兹波段的损耗和吸收。此外，该AgNW@C气凝胶材料还表现出良好的稳定性和轻质特性，密度低至4 mg/cm3。
图2. AgNW@C气凝胶的微波吸收性能（A-C），太赫兹波段隐身性能（D-E），红外波段隐身性能（F-G），开尔文探针力显微镜照片（I-J），功率损耗电磁仿真模拟（K），兼容隐身机理示意图（L）。
总结：作者根据不同波段电磁隐身的材料电磁特性需求，采用了液相原位交联、限域热解的方法合成了超轻的AgNW@C气凝胶材料，实现了预设的组成和结构设计。最终，该AgNW@C气凝胶材料体系在雷达-红外-太赫兹波段电磁兼容隐身方面表现出优异的综合性能。这些突出的多频谱隐形特性使该气凝胶具有广泛的军、民应用前景，该工作为解决多频谱隐身材料应用中的固有问题提供了一种新策略。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202421090
