在高性能電磁干擾（EMI）屏蔽領域，具備優(yōu)異屏蔽效應且具有低消耗和良好機械柔韌性的屏蔽材料一直是研究者所迫切需要的。當前，由納米結構框架材料和微米大小孔洞組成的蜂窩結構由于其低密度、良好的柔韌性、易加工性、化學穩(wěn)定性和可調節(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，框架材料及其微結構協(xié)同作用的設計一直是研究的重點。近年來，一類新型的二維金屬碳化物和氮化物，即所謂的MXenes，由于其金屬導電性、出色的機械性能和大的比表面積等特性引起了廣泛關注。然而，弱的凝膠能力和易團聚的特點限制了其用于組裝成低密度氣凝膠的應用。因此，基于MXenes設計出具有良好導電性、出色EMI屏蔽性能、低密度特點的復合材料面臨著非常大的挑戰(zhàn)。
遏制電子元件產生的電磁輻射是電子設備設計者的一個重要考慮因素，但如今的金屬基屏蔽材料也有其弊端。瑞士聯(lián)邦材料科學與技術實驗室(EMPA)的科學家們開發(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。
阻擋電子設備中的電磁輻射對維持其性能至關重要，因為如果這些場沒有與周圍環(huán)境隔離，就會影響信號傳輸或附近電子設備的功能。工程師們經(jīng)常使用薄金屬片來完成這項任務，但這些金屬片會增加設備的額外重量，而且不一定能與設計完美結合。
瑞士聯(lián)邦材料科學與技術實驗室Gustav?Nystr?m團隊利用超薄纖維素納米纖維（CNF）來協(xié)同構建具有定向仿生細胞壁的超低密度MXenes氣凝膠。該研究揭示了定向細胞壁與入射EM波電場方向之間的角度對EMI屏蔽性能有著顯著影響，從而提出了新的微結構設計策略。該氣凝膠在密度僅為8.0和1.5 mg/cm3時，其EMI屏蔽效果分別可達到74.6或35.5 dB。歸一化表面的屏蔽效能高達189400 dB cm2/g，大大超過了迄今為止報道的其他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】
作者通過生物質纖維素纖維的氧化制備了穩(wěn)定的CNF分散體，然后對其進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，可以使MXene和CNF水性分散體均勻混合而無需添加其他表面活性劑。親水性和表面基團的相似性使得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程中可以作為有效的結構導向劑。圖1e顯示了制備各向異性蜂窩狀MXene/CNF復合氣凝膠的單向冰樣冷凍干燥方法。在該合成過程中，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混合細胞壁。該完整細胞壁的組裝可以通過CNF中含羥基的基團有效地交聯(lián)了MXene來解釋（圖1e，f），最終有助于形成低密度且堅固的復合氣凝膠。SEM圖像在縱向平面上清晰地觀察到了定向的細胞壁以及間隙約為20 μm的單向孔道（圖1g）。
【氣凝膠性能的調控】
實驗結果表明，無論CNF含量如何，復合氣凝膠在相鄰細胞壁之間的孔隙幾乎都相同，并且細胞壁的厚度也相近（圖2a），因為孔壁的厚度取決于溶液濃度，而孔道的直徑受誘導的溫度梯度影響。而調整CNF含量可以有效地調控各向異性復合氣凝膠的壓縮強度、模量、電性能和EMI屏蔽效應。通過添加33 wt％的CNF，復合氣凝膠的壓縮模量可達到9.61 kPa（圖2d），比純MXene氣凝膠的模量高約≈350％，該結果突出了CNF的臨界作用，從而能夠制備出超輕而堅固的氣凝膠。然而，過多的CNF會不可避免地降低導電性并減少電荷載體軟氣凝膠的數(shù)量，這極大地損害了其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)含量來制備復合氣凝膠。
【氣凝膠的EMI屏蔽性能】
超輕型復合氣凝膠的主要歸因于CNF的結構定向作用。圖3a顯示，厚度為2mm的純MXene氣凝膠（密度為2.0 mg/cm3）的EMI屏蔽效能達到25.5dB，遠低于2mm厚度的MXene/CNF復合氣凝膠（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復合氣凝膠（密度≈1.5mg/cm3）屏蔽性能為28.4 dB，當厚度增加到3mm時可增加到> 45 dB，對應于入射EM衰減99.99％。如圖3d所示，此研究中的氣凝膠已經(jīng)實現(xiàn)了高達189400 dB?cm2/g的優(yōu)異屏蔽性能，遠遠高于其他屏蔽材料，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，使得實現(xiàn)定向仿生細胞壁成為可能。
EMPA團隊一直在研究替代材料，希望能生產出更輕、可塑性更強的解決方案，這讓他們找到了來自木材的纖維素纖維。這些纖維素纖維被細化到納米級大小，并與銀納米線結合在一起，形成了一種輕質多孔的氣凝膠，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生屏蔽效果的同時，材料的多孔性也起到了作用。當電磁場遇到孔隙時，會在空隙內反彈，產生二次電磁場，實際上抵消了原有的電磁場。根據(jù)該團隊的說法，這種綜合效應是一種能夠阻擋8至12GHz范圍內幾乎所有輻射的材料。同時，所需的吸收水平可以通過調整材料的孔隙率、銀納米線的數(shù)量和厚度來調整。
該團隊能夠通過將銀納米線換成碳化鈦板來進一步減輕重量，碳化鈦板的作用就像 “磚頭”，而纖維素纖維則是 “砂漿”。該團隊稱，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”。
兩篇論文詳細介紹了這項研究，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：
作者利用MXene的內在特性、結構以及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復合氣凝膠。該氣凝膠通過仿生策略，由取向的、完整的細胞壁構成。其優(yōu)異的EMI屏蔽效果取決于取向的細胞壁與表面之間的夾角。這種超輕型氣凝膠表現(xiàn)出的屏蔽性能遠遠超過了在其他文獻中報道的EMI屏蔽材料，使得具有極高EMI屏蔽效率的MXene/CNF復合材料在電子器件中的進一步應用成為可能。
