《Adv. Mater.》发表我院黄英教授、宗蒙副研究员超宽频吸波材料新进展

近日，化学与化工学院黄英教授和宗蒙副研究员在柔性超宽频吸波材料方面取得新进展，提出了一种通过液-液相分离策略制备柔性且可修复的超宽频电磁波吸收材料的新方法，为下一代柔性电磁材料设计提供了普适性方案，在可穿戴电子、军事隐身等领域具有广阔应用前景，研究成果以“A Flexible and Repairable Ultra-Broadband Electromagnetic Wave Absorber by Liquid-Liquid Phase Separation Strategy”为题在国际期刊Advanced Materials（2025, 10139）上在线发表。

随着生物医学和柔性电子设备的快速发展，对高性能电磁波（EMW）吸收材料的需求日益迫切。传统吸收材料依赖复杂的微纳结构或苛刻的制备工艺实现阻抗匹配与衰减平衡，但普遍存在柔性差、不可修复的缺陷——一旦受损，吸收性能将不可逆衰减。如何开发兼具超宽频吸收、机械柔韧性和可修复能力的材料，成为该领域的核心挑战。

研究团队开发了一种液-液相分离策略制备柔性且可修复的超宽频电磁波吸收材料的新方法。通过在离子液体中光聚合N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM），实现了聚合物网络中富含导电纳米通道和大量聚合物链/离子液体异质界面的微观相结构，从而有效平衡了阻抗匹配和衰减，实现了从5到40 GHz的超宽频电磁波吸收。同时宽频吸波体具备高透明度（≈85%）、强韧性（断裂强度≈8.2 MPa，断裂能≈774 kJ m⁻²）和拉伸性（≈900%应变），其电磁波吸收性能修复率高达97%。

图1 凝胶基电磁波吸收体制备的示意图：离子液体、NIPAM 在紫外光下通过液 - 液相分离（LLPS）自组装形成 PNIPAM 凝胶吸收体的过程

受无膜细胞器构建生物细胞的工作原理的启发，研究团队提出了一种凝胶制备策略，该策略将光聚合和液-液相分离集成在同一过程中，用于构建具有仿生微观结构的凝胶吸收体。在仿生离子凝胶的设计中，研究团队选择了具有丰富氢键和良好溶解性的N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM），它模仿了生命系统中的基本小分子（如氨基酸和核苷酸）。为了保证凝胶材料化学结构在环境条件下的稳定性，研究团队使用了一种通用的二甲基咪唑离子液体作为稀释剂。在室温下，紫外线引发NIPAM聚合成亲水性大分子，增加的混合熵诱导相分离过程。然后，该体系自组装成具有丰富微相结构和导电纳米通道的凝胶吸收体。通过这种仿生方法制备的凝胶材料不仅在宏观和微观层面上具有结构灵活性和可修复性，而且具有复杂的异质界面，有望实现阻抗匹配和衰减的平衡，这是其他方法无法实现的。

图2 EMW吸收性能与机理分析：样品PNIPAM凝胶1–3及对照组（凝胶2M）在不同厚度下的反射损耗（RL）二维等高线图（a-d），离子电导率对比（e），复介电常数实部（ε'）与虚部（ε''）（e），g,h) 离子液体、PNIPAM及凝胶1–3的传导损耗（ε''c）、极化损耗（ε''p）及其占比（g-h），归一化阻抗|Z_in/Z₀|（i），史密斯圆图（空心圆：2 GHz；实心圆：18 GHz；灰色区：理想阻抗匹配阈值）（j），凝胶2在2–40 GHz频段的RL二维图（k），已报道吸波材料有效带宽对比（l），吸波机理示意图（m）

PNIPAM凝胶2在2–40 GHz频段内有效吸收带宽达34.96 GHz，覆盖90%测试频段，刷新单层吸波材料纪录。机理分析表明：微相结构形成的导电纳米通道显著提高了凝胶的离子电导率，将离子传导损耗占比提升至97–98%，同时异质界面优化了阻抗匹配，使归一化阻抗|Z|接近理想值1。史密斯圆图进一步证实，微相结构使轨迹线紧贴中心区（完美匹配区），而对照组（无相分离）则严重偏离。上述性能及机理分析表明自组装形成的导电纳米通道显著增强了传导损耗、异质界面提高电磁波吸收率优化了阻抗匹配，共同提升了吸波性能。

图3  PNIPAM 凝胶拉伸过程的实时照片（a），PNIPAM 凝胶 1 - 3 的代表性拉伸应力 - 应变曲线（b），PNIPAM 凝胶 1 - 3 的断裂能和杨氏模量比较（c），PNIPAM 凝胶 1 加载 2kg 水的物理图像（d），PNIPAM 凝胶 1 - 3 的杨氏模量与断裂强度关系（e），不同应变下样品松弛平衡的 2D SAXS 图（f），应变诱导聚合物链滑移和链间氢键重建示意图（g）， PNIPAM 凝胶 1 - 3 的频率扫描（h）， PNIPAM 凝胶 1 - 3 的应变扫描（i），PNIPAM 凝胶 2 和 PNIPAM 凝胶 2R 的代表性拉伸应力-应变曲线（j），PNIPAM 凝胶 2 和 PNIPAM 凝胶 2R 样品的屈服应力和应变比较（k）

通过调节单体浓度，断裂强度可在1.0–8.2 MPa间调控，断裂能超10⁵ J m⁻²。1 mm厚凝胶可承载2 kg重物，性能优于大多数的离子凝胶。原位SAXS和拉伸红外表明，应变下氢键重构与链滑移耗散能量。得益于光聚合自组装特性，破损样品可以进行有效的光修复，修复后样品力学损失<20%，吸收带宽恢复率达97%。此外，得益于其本征透明/导电/柔性的特性，具备在多功能柔性传感器方面的应用潜力。

该项工作得到国家自然科学基金项目面上项目资助。国家卓越工程师学院在读博士生牛倩倩为第一作者，化学与化工学院黄英教授、宗蒙副研究员为通讯作者。

全文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202510139

图文：宗蒙

审核：姚东东