『AM』南京理工大学李伟金教授&曾海波教授&谢阿明教授团队:面向阻抗匹配平衡与电磁损耗调控的离子迁移工程

在离子凝胶中抑制离子运动以制备性能空前的电磁波吸收材料，至今仍是一个未探索的前沿领域——研究者此前主要关注促进而非抑制离子传输。近日，南京理工大学李伟金教授&曾海波教授&谢阿明教授团队提出了一种合理的双网络设计策略，成功合成了具有创纪录电磁波吸收性能（最小反射损耗-63.45 dB，有效带宽6.29 GHz）的离子运动抑制型离子凝胶，其性能超越了大多数离子凝胶吸收材料。该双网络结构通过聚甲基丙烯酸甲酯和聚（2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸）（PAMPS）在甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑离子液体中的缠结组装构建。得益于强静电相互作用，PAMPS网络有效约束了离子运动，在电磁场作用下实现了阻抗匹配与介电损耗的平衡。所制备的离子凝胶在1.8 mm厚度下表现出-63.45 dB的最小反射损耗和6.19 GHz（完整覆盖Ku波段）的宽有效吸收带宽，双双刷新了离子凝胶及其复合材料的电磁波吸收性能纪录。与新兴的通过增强离子传导实现损耗的技术路径不同，本研究通过抑制离子迁移来优化阻抗匹配，实现了离子凝胶设计范式的转变。本质上，这项工作为设计高性能多功能离子凝胶开辟了新策略，为5G/6G通信及可穿戴电子设备领域的新一代柔性电磁波吸收材料奠定了基础。

图1

（a）制备流程示意图；（b）^DNPAMPS、^DNPAM和^SNPAMPS的FT-IR光谱特征；（c,d）^DNPAMPS、^DNPAM和^SNPAMPS的XPS光谱特征；（e-g）^DNPAMPS、^DNPAM和^SNPAMPS的SEM显微图像。

图2

（a,b）^DNPAMPS、^DNPAM和^SNPAMPS的复介电常数；（c）所制备离子凝胶的离子电导率；（d）这些离子凝胶的离子迁移数；（e）阻抗匹配；（f）^DNPAMPS、^DNPAM和^SNPAMPS的衰减常数。注：蓝色代表^DNPAMPS，黄色代表^DNPAM，紫色代表^SNPAMPS。

图3

（a-c）^DNPAMPS、^DNPAM和^SNPAMPS在X波段（a-c）和Ku波段（d-f）的三维反射损耗（RL）图；（g）三种离子凝胶在X波段和Ku波段的最小反射损耗值（RL_min）；（h）无人机模型的雷达散射截面（RCS）仿真。注：蓝色代表^DNPAMPS，黄色代表^DNPAM，紫色代表^SNPAMPS，黑色代表理想导体（PEC）；（i）电磁波吸收性能对比图。

图4

（a）^DNPAMPS、^DNPAM和^SNPAMPS的拉伸应力-应变曲线；（b）拉伸强度对比；（c）^DNPAMPS在扭转状态下的照片，展示其柔韧性；（d,e）流变学测试中储能模量G′和损耗模量G″随频率的变化；（f-h）^DNPAMPS、^DNPAM和^SNPAMPS拉伸后的SEM显微图像，分别揭示了网络形变的差异。注：蓝色代表^DNPAMPS，黄色代表^DNPAM，紫色代表^SNPAMPS。

图5

（a,b）^DNPAMPS、^DNPAM和^SNPAMPS在不同时间点（0至20分钟）拍摄的热红外图像及相应的温度-时间曲线；（c）^DNPAMPS置于手掌上方拍摄的热红外图像；（d,e）离子凝胶在50℃和100℃下处理1小时后介电常数实部和虚部的变化；（f）离子凝胶在-30℃处理后介电常数实部的变化；（g）离子凝胶在-30℃条件下储存前后有效吸收带宽（EAB）的对比；（h）三种离子凝胶在-30℃下存放1个月后的照片。

总之，本文展示了一种在离子凝胶中抑制离子运动的新策略，解决了阻抗匹配与介电损耗之间长期存在的权衡问题。值得注意的是，优化后的离子凝胶（^DNPAMPS）实现了-63.45 dB的最小反射损耗和6.19 GHz的有效吸收带宽（覆盖整个Ku波段），远超此前报道的离子凝胶吸收材料。实验表征证实，这种性能的提升源于对聚合物-离子相互作用的调控：通过将离子液体中的离子锚定在磺酸基团上，离子凝胶避免了阻抗失配，增强了极化损耗，甚至提高了机械强度。DNPAMPS的保温和防冻能力凸显了其在电子学领域的巨大应用潜力。

这些发现也凸显了基于离子凝胶的吸收材料在下一代电磁屏蔽应用中的前景，例如在对轻质和热稳定材料有要求的柔性可穿戴设备或隐身涂层中。更广泛地说，本文提出的离子运动抑制策略可推广至其他离子材料体系（如聚电解质或聚合物电解质），以定制不同应用场景下的介电性能。基于本文的概念验证设计，通过改变不同的聚合物/离子液体组合及网络结构，应能相对容易地实现这一目标。总的来说，这种以抑制离子运动为核心的双网络离子凝胶设计，为创造高性能、多功能的电磁波吸收材料以满足现代电子学日益增长的需求开辟了新途径。

Ion Mobility Engineering for Balanced Impedance Matching and Electromagnetic Loss

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