在高性能電磁干擾（EMI）屏蔽領(lǐng)域，具備優(yōu)異屏蔽效應(yīng)且具有低消耗和良好機(jī)械柔韌性的屏蔽材料一直是研究者所迫切需要的。當(dāng)前，由納米結(jié)構(gòu)框架材料和微米大小孔洞組成的蜂窩結(jié)構(gòu)由于其低密度、良好的柔韌性、易加工性、化學(xué)穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)的EMI屏蔽性能，顯示出了其有望替代常規(guī)金屬屏蔽層的巨大潛力。因此，框架材料及其微結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的設(shè)計(jì)一直是研究的重點(diǎn)。近年來(lái)，一類新型的二維金屬碳化物和氮化物，即所謂的MXenes，由于其金屬導(dǎo)電性、出色的機(jī)械性能和大的比表面積等特性引起了廣泛關(guān)注。然而，弱的凝膠能力和易團(tuán)聚的特點(diǎn)限制了其用于組裝成低密度氣凝膠的應(yīng)用。因此，基于MXenes設(shè)計(jì)出具有良好導(dǎo)電性、出色EMI屏蔽性能、低密度特點(diǎn)的復(fù)合材料面臨著非常大的挑戰(zhàn)。
遏制電子元件產(chǎn)生的電磁輻射是電子設(shè)備設(shè)計(jì)者的一個(gè)重要考慮因素，但如今的金屬基屏蔽材料也有其弊端。瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(EMPA)的科學(xué)家們開發(fā)出了一種新的基于氣凝膠的材料，可以阻擋多種頻率，形成了他們所描述的迄今為止世界上最輕的電磁屏蔽材料。
阻擋電子設(shè)備中的電磁輻射對(duì)維持其性能至關(guān)重要，因?yàn)槿绻@些場(chǎng)沒有與周圍環(huán)境隔離，就會(huì)影響信號(hào)傳輸或附近電子設(shè)備的功能。工程師們經(jīng)常使用薄金屬片來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)，但這些金屬片會(huì)增加設(shè)備的額外重量，而且不一定能與設(shè)計(jì)完美結(jié)合。
瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室Gustav?Nystr?m團(tuán)隊(duì)利用超薄纖維素納米纖維（CNF）來(lái)協(xié)同構(gòu)建具有定向仿生細(xì)胞壁的超低密度MXenes氣凝膠。該研究揭示了定向細(xì)胞壁與入射EM波電場(chǎng)方向之間的角度對(duì)EMI屏蔽性能有著顯著影響，從而提出了新的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略。該氣凝膠在密度僅為8.0和1.5 mg/cm3時(shí)，其EMI屏蔽效果分別可達(dá)到74.6或35.5 dB。歸一化表面的屏蔽效能高達(dá)189400 dB cm2/g，大大超過(guò)了迄今為止報(bào)道的其他EMI屏蔽材料。該研究以題為“Nanocellulose-MXene Biomimetic Aerogels with Orientation-Tunable Electromagnetic Interference Shielding Performance”的論文發(fā)表在《Advanced Science》上。
【氣凝膠的制備】
作者通過(guò)生物質(zhì)纖維素纖維的氧化制備了穩(wěn)定的CNF分散體，然后對(duì)其進(jìn)行研磨以減弱相鄰纖維素鏈之間的氫鍵。這些CNF的末端帶有大量親水性基團(tuán)，可以使MXene和CNF水性分散體均勻混合而無(wú)需添加其他表面活性劑。親水性和表面基團(tuán)的相似性使得CNF在MXene納米片上的均勻沉積（圖1d），從而使前者在氣凝膠制造過(guò)程中可以作為有效的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑。圖1e顯示了制備各向異性蜂窩狀MXene/CNF復(fù)合氣凝膠的單向冰樣冷凍干燥方法。在該合成過(guò)程中，形成的金字塔狀晶體在表面上不包含帶有CNF的MXene層，從而形成定向互連的MXene混合細(xì)胞壁。該完整細(xì)胞壁的組裝可以通過(guò)CNF中含羥基的基團(tuán)有效地交聯(lián)了MXene來(lái)解釋（圖1e，f），最終有助于形成低密度且堅(jiān)固的復(fù)合氣凝膠。SEM圖像在縱向平面上清晰地觀察到了定向的細(xì)胞壁以及間隙約為20 μm的單向孔道（圖1g）。
【氣凝膠性能的調(diào)控】
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論CNF含量如何，復(fù)合氣凝膠在相鄰細(xì)胞壁之間的孔隙幾乎都相同，并且細(xì)胞壁的厚度也相近（圖2a），因?yàn)榭妆诘暮穸热Q于溶液濃度，而孔道的直徑受誘導(dǎo)的溫度梯度影響。而調(diào)整CNF含量可以有效地調(diào)控各向異性復(fù)合氣凝膠的壓縮強(qiáng)度、模量、電性能和EMI屏蔽效應(yīng)。通過(guò)添加33 wt％的CNF，復(fù)合氣凝膠的壓縮模量可達(dá)到9.61 kPa（圖2d），比純MXene氣凝膠的模量高約≈350％，該結(jié)果突出了CNF的臨界作用，從而能夠制備出超輕而堅(jiān)固的氣凝膠。然而，過(guò)多的CNF會(huì)不可避免地降低導(dǎo)電性并減少電荷載體軟氣凝膠的數(shù)量，這極大地?fù)p害了其EMI屏蔽效果（圖2f）。由于CNF和MXene的相互作用使得該氣凝膠即使在較低的CNF含量下也能提供高的EMI屏蔽性能，該研究最終選擇17?wt％的CNF作為最優(yōu)含量來(lái)制備復(fù)合氣凝膠。
【氣凝膠的EMI屏蔽性能】
超輕型復(fù)合氣凝膠的主要?dú)w因于CNF的結(jié)構(gòu)定向作用。圖3a顯示，厚度為2mm的純MXene氣凝膠（密度為2.0 mg/cm3）的EMI屏蔽效能達(dá)到25.5dB，遠(yuǎn)低于2mm厚度的MXene/CNF復(fù)合氣凝膠（35.5 dB），其密度僅1.5 mg/cm3。此外，密度為8.0 mg/cm3的MXene/CNF氣凝膠能夠表現(xiàn)出74.6 dB的更優(yōu)異的EMI屏蔽作用。此外，該氣凝膠的厚度越大，其EMI屏蔽性能越好（圖3c）。厚1mm的MXene/CNF復(fù)合氣凝膠（密度≈1.5mg/cm3）屏蔽性能為28.4 dB，當(dāng)厚度增加到3mm時(shí)可增加到> 45 dB，對(duì)應(yīng)于入射EM衰減99.99％。如圖3d所示，此研究中的氣凝膠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)189400 dB?cm2/g的優(yōu)異屏蔽性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他屏蔽材料，包括碳基、金屬基以及其他MXene基體系。該MXene/CNF復(fù)合氣凝膠的出色EMI屏蔽性能歸因于一維CNF和二維MXene納米片之間的協(xié)同作用，使得實(shí)現(xiàn)定向仿生細(xì)胞壁成為可能。
EMPA團(tuán)隊(duì)一直在研究替代材料，希望能生產(chǎn)出更輕、可塑性更強(qiáng)的解決方案，這讓他們找到了來(lái)自木材的纖維素纖維。這些纖維素纖維被細(xì)化到納米級(jí)大小，并與銀納米線結(jié)合在一起，形成了一種輕質(zhì)多孔的氣凝膠，具有“優(yōu)異的電磁輻射屏蔽效果”，密度僅為每立方厘米1.7毫克。
在纖維素纖維和銀納米線的成分產(chǎn)生屏蔽效果的同時(shí)，材料的多孔性也起到了作用。當(dāng)電磁場(chǎng)遇到孔隙時(shí)，會(huì)在空隙內(nèi)反彈，產(chǎn)生二次電磁場(chǎng)，實(shí)際上抵消了原有的電磁場(chǎng)。根據(jù)該團(tuán)隊(duì)的說(shuō)法，這種綜合效應(yīng)是一種能夠阻擋8至12GHz范圍內(nèi)幾乎所有輻射的材料。同時(shí)，所需的吸收水平可以通過(guò)調(diào)整材料的孔隙率、銀納米線的數(shù)量和厚度來(lái)調(diào)整。
該團(tuán)隊(duì)能夠通過(guò)將銀納米線換成碳化鈦板來(lái)進(jìn)一步減輕重量，碳化鈦板的作用就像 “磚頭”，而纖維素纖維則是 “砂漿”。該團(tuán)隊(duì)稱，這種碳化鈦纖維素氣凝膠組合是“迄今為止世界上最輕的電磁屏蔽材料”。
兩篇論文詳細(xì)介紹了這項(xiàng)研究，分別發(fā)表在《ACS Nano》和《Advanced Science》上。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b07452
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000979
總結(jié)：
作者利用MXene的內(nèi)在特性、結(jié)構(gòu)以及CNF和MXene納米片之間的相互作用，制備出了超低密度和高柔韌性的MXene/CNF復(fù)合氣凝膠。該氣凝膠通過(guò)仿生策略，由取向的、完整的細(xì)胞壁構(gòu)成。其優(yōu)異的EMI屏蔽效果取決于取向的細(xì)胞壁與表面之間的夾角。這種超輕型氣凝膠表現(xiàn)出的屏蔽性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了在其他文獻(xiàn)中報(bào)道的EMI屏蔽材料，使得具有極高EMI屏蔽效率的MXene/CNF復(fù)合材料在電子器件中的進(jìn)一步應(yīng)用成為可能。
