静电自组装诱导织物表面巢状MXene网络实现超宽带柔性吸收

《Advanced Science》：Electrostatic Self-Assembly Induced Nest-Like MXene Networks on Fabric for Ultra-Broadband Flexible Absorption

　　

新一代信息技术的进步推动了毫米波与太赫兹（THz）通信、探测及人工智能技术的深度融合，从而对能够应对复杂电磁干扰的多功能吸波材料提出了迫切需求。本研究开发了一种兼具超宽带吸收、超疏水性和优异耐久性的柔性WPU-MXene@FC复合织物。研究人员通过表面等离子体处理对基底织物（FC）进行改性，在纤维表面引入带正电荷的活性位点。在静电相互作用驱动下，带负电的MXene通过自组装过程与改性后的FC结合，诱导纤维表面形成“巢状（nest-like）”结构，构建了多重损耗路径。随后涂覆水性聚氨酯（WPU）赋予材料抗氧化保护、超疏水性和稳定性。研究结果表明，厚度为1.8 mm的WPU-MXene@FC实现了覆盖25.3–1200 GHz的有效吸收带宽（EAB）。在0.2–1.0 THz频段内，反射损耗（RL）值低于?30 dB，最低可达?45.2 dB。经过500次弯曲循环后，其RL值仍保持在?30 dB以下。此外，该WPU-MXene@FC表现出超疏水性（接触角151.3°，滑动角1.2°）、优异的透气性和柔韧性。这种多功能织物在可穿戴设备、通信领域具有重要应用前景，并为轻质隐身结构和柔性电磁伪装的发展提供了有力支撑。

论文《Electrostatic Self-Assembly Induced Nest-Like MXene Networks on Fabric for Ultra-Broadband Flexible Absorption》针对新一代信息技术发展中毫米波与太赫兹频段电磁干扰日益复杂的问题，报道了一种高性能柔性多功能吸收材料的制备策略及其性能表征。该研究由相关科研团队完成，成果发表于《Advanced Science》期刊。

研究背景指出，随着电子设备向高频化和集成化发展，GHz至THz频段的电磁干扰严重影响外围电路与精密系统性能，而现有电磁吸收材料（EAMs）普遍存在吸收带宽有限、多为刚性块体难以共形集成、以及环境耐受性差等瓶颈。尽管MXene作为一种二维层状材料具有高比表面积和优异的介电损耗特性，但其碳基骨架存在脆性和易氧化缺陷；而多功能织物（FC）虽具备轻质、柔韧等优点，但单一织物的吸收性能不足。为此，研究人员提出了一种通过氮等离子体诱导胺基基团，利用静电自组装在织物纤维上构建巢状MXene网络的创新策略。

为实现这一目标，研究人员采用了几项关键技术方法：首先利用射频低温等离子体系统对聚酯纤维织物进行氮等离子体表面活化处理，引入胺基官能团使其表面质子化带正电；其次通过选择性蚀刻MAX相陶瓷前驱体（如Ti₃AlC₂）制备多种少层MXene分散液；随后将改性织物浸入MXene分散液中，通过静电吸附自组装并结合辊压工艺促使MXene在纤维节点处形成“巢状”互连结构；最后通过喷涂水性聚氨酯（WPU）乳液并干燥固化，实现对MXene层的封装保护与超疏水改性。

研究结果部分详细阐述了材料的微观结构与性能表征：

在“相与微观结构（Phase and Microstructures）”研究中，扫描电子显微镜（SEM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）证实了MXene纳米片的成功制备及其薄层透明特征。X射线衍射（XRD）图谱显示MAX相的特征峰消失并出现了MXene的特征峰。SEM图像进一步表明，静电自组装诱导MXene在纤维表面形成了牢固的“巢状”结构，而WPU涂层则平滑地包覆于纤维表面，增强了界面相互作用，元素映射（EDS mapping）证实了Ti元素在纤维表面的均匀分布。

在“WPU-MXene@FC的宽带电磁吸收性能（Broadband Electromagnetic Absorption Properties of WPU-MXene@FC）”研究中，太赫兹时域光谱（THz-TDS）测试表明，随着MXene浓度增加（0至2.0 mg/mL），材料透射率显著下降，吸收效率单调上升，在1.5 mg/mL时达到99.9%。在测试的七种MXene中，Ti₃C₂表现最佳。WPU层的引入改善了阻抗匹配并增加了界面极化，使得材料在0.2–1.2 THz频段反射损耗（RL）普遍低于?30 dB。衰减常数计算表明材料具备宽频带内的有效衰减能力。机械稳定性测试显示，经过500次弯曲或扭曲循环后，材料表面电阻变化微小，RL曲线几乎无显著差异，表现出优异的抗疲劳性。对比实验证实，静电自组装形成的连通结构相比单纯浸泡样品具有更优的吸收性能。最终测得的1.8 mm厚样品在18–1200 GHz范围内实现了25.3–1200 GHz的超宽带吸收，优于多数已报道的吸收体。

在“WPU-MXene@FC的超疏水与耐酸碱性（Superhydrophobic and Acid and Alkali Resistance of WPU-MXene@FC）”研究中，接触角（CA）测试显示WPU处理后CA从140.9°提升至151.3°，滑动角（SA）降至1.2°，具备超疏水与自清洁特性。透气性测试值为417.4 ± 22 mm/s，高于透气服装指标。酸碱溶液浸泡实验表明，虽然WPU涂层在强酸强碱环境中会发生缓慢水解导致表面电阻轻微上升，但其仍能有效保护内部MXene不被氧化或脱落，维持了近100%的太赫兹吸收效率。

在“WPU-MXene@FC的自清洁与可穿戴隐身应用（Self-Cleaning and Wearable Stealth Application of WPU-MXene@FC）”研究中，自清洁实验对比显示MXene@FC在清洗后吸收性能显著下降，而WPU-MXene@FC因超疏水表面阻挡了水分接触MXene，性能保持不变。雷达成像实验直观展示了该材料对飞机模型的隐身效果，覆盖了材料的区域回波信号强度显著降低。此外，将其应用于太赫兹仪器内壁可有效降低杂散反射噪声，提升信噪比。

综上所述，讨论部分与研究结论指出，该研究成功开发了一种简单可靠的制备策略，利用氮等离子体活化在FC上引入胺基，通过静电吸附实现MXene的自组装，诱导形成“巢状”结构。这种结构结合了MXene优异的阻抗匹配特性、本征导电性及欧姆耗散机制，实现了覆盖25.3–1200 GHz的EAB。特别是Ti₃C₂基WPU-MXene@FC在0.2–1.2 THz范围内RL ≤ ?30 dB，且在经历500次弯折循环及酸碱浸泡48小时后性能依然稳定。这项工作不仅为高性能太赫兹吸收材料的设计提供了有效策略，也为通过MXene功能化织物实现多功能集成在可穿戴电子、柔性防护服装及军事伪装领域的应用开辟了新途径。