近日，材料科學與技術學院姚正軍教授、周金堂副教授在《Nature Communications》期刊發表了題為“Interfacial coupling effects in two-dimensional ordered arrays for microwave attenuation”的研究論文，博士生劉一杰為第一作者，周金堂副教授為第一單位通訊作者。
在這項工作中，團隊提出了一種簡單的冰模板法，將兩種典型的ZIF衍生納米材料自組裝成二維有序多面體超結構。自組裝成二維有序陣列后，納米功能單元表現出獨特的介電敏感行為。改進后的二維有序多面體超結構不僅繼承了原子級摻雜和精心設計的殼結構，還進一步放大了損耗特性，實現了多尺度調制MA響應。最終在C、X和Ku波段實現了優異的MA性能。特別是在厚度為1.82mm的情況下，實現了6.41 GHz的超寬帶微波吸收帶寬。該研究展示了二維有序陣列誘導的多尺度極化行為，為充分利用吸波功能單元的潛力提供了方向。
微波通信在技術進步中發揮著至關重要的作用，然而這項技術的迅速普及使我們的環境充斥著復雜的電磁波。隨著我們對這一寶貴資源的不斷利用，有效的管理和負責任的使用對于確保技術的可持續發展變得越來越重要。隨著納米技術的蓬勃發展，不同維度、形貌和尺寸的納米功能單元展現出高效微波吸收的潛力。但是在實際應用中，宏觀微波吸收特性的體現往往需要大量的納米材料。而通常的研究只關注單個納米粒子的修飾和調制，忽略了實際應用中的聚集狀態。納米功能單元的排列和取向被忽視，無法利用功能單元間獨特的耦合增強機制，對納米材料進行改性的優勢也無法得到充分發揮，阻礙了吸波材料的進一步發展。
圖1：冰模板法自組裝二維有序陣列合成路線圖
通過簡單的冰模板法利用固液兩相間的壓力差誘導納米顆粒自組裝成二維有序陣列，研究不同形貌和尺寸的ZIF衍生納米顆粒來驗證冰模板法的普適性。
圖二：有序陣列對于電磁性能的影響和作用機制
對比二維有序陣列自組裝過程前后的電磁參數和吸波性能，并分析其耦合增強機制。研究得出在相組成沒有發生變化的條件下，由于其規則排列，導電性能大幅度上升。通過COMSOL模擬樣品在微波場下的表面電荷分布和電場，二維有序陣列由于其間距更小，電荷的離散導致相鄰面上感應出更高的電場強度。
圖三：二維核殼有序陣列的多尺度調制工程示意圖
進一步對ZIF衍生納米材料進行改性包覆，定制更多的界面和極化位點。最終研究發現結合納米改性技術和有序陣列界面耦合增強機制的二維核殼有序陣列可以實現對電磁波多尺度調制效果。在原子層級上，氮原子通過化學摻雜-熱力學高溫滲入的方法取代碳骨架中的碳原子。電荷密度差圖顯示氮原子摻雜后會引起增強的電荷分離效應。電荷不均勻的積累會形成類電容結構，在交變電場中生成內置電場，增強對于電磁波的能量轉換。
圖四：二維核殼有序陣列的吸波性能與界面損耗仿真圖
在納米尺度上，通過電磁仿真中的體積損失密度表征核殼結構對電磁波的損耗效果。其中核殼結構可以作為更大的諧振腔，在腔內的多次反射和散射會增強對于電磁波的耗散效果。在微米尺度上，通過冰模板法自組裝成的二維有序陣列可以做為放大器來增強以上效應。冰模板誘導的二維有序陣列，一方面突破了無序排布短程電荷傳輸的限制，另一方面定向密集排列的界面會增強極化弛豫過程。不僅繼承了原子級別的摻雜和精心設計的核殼結構，還將其損耗特性放大，實現多尺度調制吸波性能，最終實現低厚度下多個頻段的有效吸收。
總之團隊通過構建二維有序陣列，連接了不同尺度的機制與調制行為。納米功能單元在自組裝成二維有序陣列后表現出獨特的介電敏感行為。改進的二維有序多面體超結構不僅繼承了原子級摻雜和精心設計的殼結構，還進一步放大了損耗特性，實現了多尺度調制的吸波響應。作者們提出二維有序陣列誘導的多尺度極化行為，為充分利用吸波單元的潛力提供了新的方向。
這項工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、國防工業技術發展計劃項目、江蘇省前沿引領技術基礎研究重大項目、江蘇省研究生研究與實踐創新計劃項目、南航研究生院引航計劃和蘇州國家實驗室的支持。
課題組簡介：近年來，團隊結合國家材料產業布局與國際前沿新材料發展趨勢，積極開展理論探索、科學創新、技術攻關、成果轉化等研究工作，形成多個創新型研究課題及探索方向，包括：微納吸波功能體、防腐/吸波一體化材料、吸波超材料與吸收/波束調控材料等。研究成果在Nat. Commun., Adv. Funct. Mater., Nano-Micro Letter, Adv. Powder Mater., J. Mater. Sci. Technol等國際、國內高水平期刊發表SCI論文200余篇，申請/授權中國發明專利60項，研究成果受到同行的廣泛關注。