南京航空航天大学姚正军教授Nat. Commun.:中空碳纳米结构实现高效电磁波吸收

背景介绍

随着通信技术的飞速发展，电磁辐射功率通量密度已超过自然水平的10¹⁸倍，对生态环境、人体健康及电子设备可靠性构成严峻挑战。电磁波吸收（Electromagnetic Wave Absorption，EWA）材料成为缓解电磁污染的关键。然而，传统晶体材料的设计思路难以直接应用于非晶体系。非晶材料具有短程有序、长程无序的原子排布，其电磁特性调控机理长期处于“黑箱”状态。如何从多尺度揭示非晶碳材料的介电损耗起源，并构建高性能EWA材料，是凝聚态物理与材料科学交叉领域的前沿难题。

本文亮点

- 构建了一个基于酚醛合成的高度可调非晶纳米结构平台，实现了从零维到三维的数十种形貌可控合成，并衍生出数百种非晶碳材料。

- 首次提出了“级联效应”（cascade effect）概念，阐明了原子构型、纳米曲率、空间反演对称性破缺以及多壳层结构对介电性能的跨尺度协同增强机制。

- 通过调控离散结晶热力学，在非晶碳基质中实现了sp²杂化微晶的可控分布，诱导强烈的共轭-非共轭界面极化，在20wt%低填充量下实现了8.46GHz宽带吸收和-54.77dB的强反射损耗。

- 所制备的多壳层碗状中空及短链状中空碳材料在柔性吸波贴片中展现出优异的电磁辐射抑制能力，实际应用前景广阔。

图文解析

图1 | 酚醛多重动力学-动力学工程

研究团队利用酚醛生长动力学、膨胀-收缩动力学以及界面聚合动力学，构建了丰富多样的中空纳米结构。通过调节溶液温度、氨水浓度、乙醇添加量及超声功率，分别实现了粒径调控、多孔结构引入、碗状形貌及短链状组装（图1a-g）。例如，利用丙酮快速刻蚀与缓慢膨胀的时间窗口，成功捕获了碗状中空结构；超声频率的降低则利用范德华力诱导颗粒轻度聚集，形成短链状中空结构。

图2 | 多壳层构筑与离散结晶热力学

基于层层自组装策略，研究者在单壳层基础上进一步包覆第二、第三壳层，获得了多壳层中空、多壳层多孔中空、多壳层碗状中空及多壳层短链状中空等结构（图2a-e）。热重-差示扫描量热-质谱联用分析表明，在600°C以上酚醛长链裂解为短链并发生碳化，C原子逐渐聚集形成离散的sp²-sp³杂化域；随温度升高至700-1000°C，脱氢环化反应促使石墨微晶生长并相互连接（图2f-i）。高分辨透射电镜观察到晶格条纹间距0.36nm，对应于石墨(002)面，且sp²含量从7.07%增至43.4%。

图3 | 介电性能的来源

复介电常数测试表明，高温热解（高sp²含量）显著增强了电导损耗和极化损耗（图3a-b）。电子顺磁共振及电化学阻抗谱证实了载流子浓度的提升（图3d-e）。密度泛函理论计算显示，离散的sp²域导致电荷局域分布，形成局部偶极矩，从而引发强烈的界面极化（图3g）。值得注意的是，600°C样品尽管含较多极性官能团，但其反射损耗几乎无法低于-10dB，证明极化损耗主要源于sp^2杂化石墨微晶而非官能团。

图4 | 微形貌对介电损耗的影响

通过构建不同曲率的共轭模型，发现正曲率表面电荷密度差异随曲率增大而增大（图4a）。碗状及短链状中空结构（空间反演对称性破缺结构）展现出比普通中空结构更高的介电损耗能力（图4b）。Zeta电位测试表明，破缺对称结构具有多重宽峰，表面电荷分布极不均匀；多壳层进一步增强了表面电场并放大电荷不平衡（图4c）。Cole-Cole曲线显示，破缺对称结构的弛豫圆显著扩大，证实了多尺度电荷不平衡对极化损耗的协同贡献（图4d）。

图5 | 电磁波吸收性能与应用

对数百组样品进行K-Means聚类分析，发现700°C热解的多壳层破缺对称结构在20wt%低填充量下表现最优（图5a）。典型代表：三壳层碗状中空碳（mbh-PRNs-2）和双壳层短链状中空碳（dch-PRNs）在厚度2mm附近实现了X波段和Ku波段的全覆盖，最大有效吸收带宽达8.17GHz，最小反射损耗-37.88dB（图5c-f）。与近年来其他特殊结构碳材料相比，本工作综合性能领先（图5g）。将材料制成柔性吸波贴片贴附于通信设备辐射源，实测辐射值从裸露时的10³ V/m降至40 V/m以下，远优于商用吸波材料（60 V/m）（图5h）。

总结与展望

本研究通过酚醛多重动力学-动力学与离散结晶热力学的协同工程，成功搭建了一个高度多样化的非晶碳纳米结构平台，揭示了从原子尺度（sp^2/sp^3杂化）、纳米尺度（曲率诱导电场）到微米尺度（空间反演对称性破缺与多壳层）的级联效应。该效应使得电荷不平衡在多尺度上累积、互锁，最终实现高效的电磁波衰减。这项工作不仅为非晶物理中的介电损耗机制提供了全新见解，也为轻质、宽带、低填充的电磁波吸收材料设计指明了方向。未来，该平台有望拓展至催化、能源存储等更多领域，推动非晶材料的基础研究与应用发展。

原文信息

Phenolic multiple kinetics-dynamics and discrete crystallization thermodynamics in amorphous carbon nanostructures for electromagnetic wave absorption

Jiaqi Tao, Kexin Zou, Jintang Zhou, Hongjing Wu, Linling Xu, Jin Wang, Xuewei Tao, Hexia Huang, Zhengjun Yao

Nat Commun 15, 10337 (2024)

DOI：10.1038/s41467-024-54770-5