電磁輻射在日常生活中無處不在，除了太陽光等天然存在的電磁波，以電磁技術為基礎的許多發明創造都會向空間輻射電磁能量。如何避免過度電磁輻射污染成為人們關注的重點。
“要使材料同時擁有優秀的屏蔽和高效的電磁吸收性能，實現綠色屏蔽是非常困難的，因為材料的吸收和反射之間存在相反的依賴關系。”北京理工大學教授曹茂盛在接受《中國科學報》采訪時表示。
為了解決這一難題，曹茂盛團隊研發出一種新型多孔納米纖維，能兼顧電磁吸收和屏蔽性能。“這意味著材料自身的本征衰減性能很強，能夠同時實現電磁吸收和屏蔽的工作狀態，對5G智能時代的通信及國防高技術領域的多功能器件研發有重要作用。”
該成果近日發表于《納微快報》。
“魚和熊掌可以兼得”
在超長距離能量傳輸、軍事隱身、電氣設備抗干擾等方面，電磁功能材料發揮著重要作用。近幾十年來，涌現出許多有價值的吸波材料，如碳材料、金屬基材料、聚合物等。
“傳統電磁屏蔽材料，主要通過金屬導電材料提高屏蔽效能，電磁波無法穿透材料，進而通過反射的方式進入環境，但強烈的二次反射可能會對其他‘鄰居’造成影響。”曹茂盛對記者說。
為了消除電磁輻射對環境的影響，打造環境友好型屏蔽材料，2010年，曹茂盛開始帶領團隊以碳纖維為研究對象，研發兼備高效電磁吸收和電磁屏蔽的材料，即綠色電磁屏蔽材料。
“由于吸收和反射之間的競爭效應，電磁屏蔽材料的反射越高，其吸收能力就越弱，要找到電磁吸收和屏蔽性能的平衡點十分困難。”曹茂盛說。
當時，國內外對綠色屏蔽材料的研究并不多，但他知道，電磁特性與電子器件相結合是先進電磁器件創新和突破的必然趨勢。
經過多年探索，曹茂盛團隊通過雙模板方法剪裁了多孔鈷酸鎳納米纖維結構，調控了極化和電荷傳輸特性，獲得了兼備電磁吸收和屏蔽性能的鈷酸鎳納米纖維。“這是一種優秀的綠色屏蔽材料”。
“這種多孔納米結構是由空心或多腔納米球組裝而成的纖維結構，表面粗糙不平，內部具有許多孔洞。粗糙的表面提高了多重反射和散射的概率，多重孔洞則降低了材料有效密度。”論文第一作者、北京理工大學博士張敏告訴《中國科學報》。
曹茂盛指出，多孔納米結構具有輕質、高比表面、電子傳輸通道豐富等特征，在催化、超級電容器、電磁衰減等領域，特別是電磁性能方面具有很大潛力，透徹理解其生長機理有助于調控材料性能，對促進電磁功能材料的創新具有重要意義。
源于大自然的靈感
讓材料兼顧高效電磁吸收和屏蔽的關鍵在于納米結構，而曹茂盛團隊已經對納米結構進行了上千次的材料實驗，但都沒有取得理想效果。
雷達波一旦進入森林就會失效，這些自然現象突然點醒了曹茂盛：“原來生物界就有最好的吸波屏蔽材料結構！”
為此，他帶領團隊開始對自然界的屏蔽材料結構進行研究，并借助仿生學和生態學原理進行了大量嘗試，研究了工藝條件對材料結構和形貌的影響，據此剪裁材料的空間維度，構筑三維導電網絡。通過比對分析，最終獲得了具有綠色屏蔽功能的鈷酸鎳納米纖維，探明了電磁吸收和電磁屏蔽的工作狀態及平衡機制。
曹茂盛認為，科研的靈感離不開長期的積累和不間斷的探索，同時還要開展交叉學科的創新研究。
然而新事物從產生到被接受并非易事，最初有關綠色屏蔽材料文章的發表可謂一波三折。“基礎研究的創新，不僅僅是發表文章，更重要的是每篇論文可以給同行帶來怎樣的觀點和啟發，也就是常說的新材料、新結構、新機制、新規律。”曹茂盛說。
論文共同第一作者、北京理工大學博士韓陳指出，目前，多孔納米纖維的綠色屏蔽性能還有進一步優化的潛力，接下來，他們還要進一步開發新的精確剪裁策略以提高材料的有效吸收，并找到平衡吸收和反射的最佳電導率，這也是未來的挑戰。
享受科研過程
10年前，在曹茂盛團隊剛開始對綠色屏蔽材料進行研究時，國內外鮮有此方面的報道。在這條未知的道路上“摸著石頭過河”，他從未感到過枯燥或茫然，而是十分享受。
“實際上，我們還有很多其他方面的研究，綠色屏蔽材料并非主戰場，但具有很重要的意義，而科學問題具有很多共通之處，這一研究成果凝集了許多屆師生共同的力量。”曹茂盛告訴記者。
對于綠色屏蔽材料的應用前景，曹茂盛非常有信心。“具有綠色屏蔽性能的多孔材料將在電磁吸收和屏蔽領域發揮重要作用，特別是在電磁輻射防護器具、無線電磁傳感器件方面具有一定的市場前景。”
對于這種新型屏蔽材料的市場競爭力，曹茂盛也有自己的設想。“雖然前期投入了較高的科研成本，但原材料的成本并不高，未來如果將產品搭載于具有高附加值的先進制造成果上，產品的價格將具有很大優勢。”
“目前該研究成果還處于實驗室階段，要走向產業化還有一段路程。一方面，要進一步探索材料合成制備的細節，確立產品的評價標準；另一方面要降低材料生產成本，完善制造工藝，實現綠色屏蔽材料產業化。”曹茂盛表示。田瑞穎
