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大連工業(yè)翟尚儒教授&釜山國立Chang-Sik Ha教授 JMCA封面綜述：海洋多糖基電磁波吸收/屏蔽材料設計理念、結構及性能研究進展
2022-09-02  來源：高分子科技

  便攜式電子設備和5G通信技術的飛速發(fā)展以及我國國防事業(yè)的重大戰(zhàn)略需求推動著多功能型電磁響應材料在軍事和民用領域的快速發(fā)展。近年來，對于其設計原理的深入探索及制備方面的技術難點攻克不但緩解了日益嚴重的電磁污染問題，更為國內相關領域實質性應用提升做出了貢獻。然而，傳統的電磁響應材料受到其自身較為單一的電磁衰減機制的限制，較難實現電磁衰減性能的進一步提升。當前，基于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和綠色能源理念，廣大研究人員已將目光轉向了對環(huán)保型多功能電磁響應材料的開發(fā)和利用，以實現較薄厚度下的電磁波的寬頻段、多頻段的強吸收以及電磁衰減機制的完善。



  近日，大連工業(yè)大學翟尚儒教授和韓國釜山國立大學Chang-Sik Ha教授在國際期刊Journal of Materials Chemistry A上發(fā)表了題為“Marine polysaccharide-based electromagnetic absorbing/shielding materials: design principles, structure, and properties”的綜述性工作并被評選作期刊的Back Cover。這項工作圍繞海洋多糖基電磁波吸收和電磁干擾屏蔽材料的最新研究進展，對其電磁衰減機制、制備方法以及衰減特性做出了詳盡的總結性論述，并結合當代科技水平和需求對未來海洋多糖基電磁波吸收和電磁干擾屏蔽材料的發(fā)展前景和方向做出了預測，為電磁響應材料設計思路的優(yōu)化和高效利用提供了理論性探討。該工作第一作者為大連工業(yè)大學在讀博士生王洪瀚，通訊作者為翟尚儒教授和Chang-Sik Ha教授。



1.基于海洋多糖的電磁波吸收和電磁干擾屏蔽材料的研究進展：


  （1）電磁響應材料廣泛應用于軍事和民用領域以提高軍事實力、通訊技術以及緩解電磁污染問題；
  （2）面對化石能源緊缺和污染嚴重的現狀，生物質材料憑借其固有的獨特微觀結構和性質被視作制備電磁響應材料的天然模板，為制備低成本、無污染的高性能材料提供了新的途徑；
  （3）海洋多糖作為生物質材料的主要來源之一，在電磁波吸收和電磁干擾屏蔽領域均取得了較大進展。其優(yōu)勢在于結合生物質和氣凝膠的獨特優(yōu)勢來調節(jié)電磁響應材料的介電常數和磁導率之間的平衡，實現阻抗匹配和衰減常數的協同作用機制；
  （4）該工作通過闡述海洋多糖基電磁波吸收和電磁干擾屏蔽材料的設計原則、結構和性質，以及總結這些材料的發(fā)展前景和面臨的挑戰(zhàn)，為生物質基電磁響應功能材料設計合成和性能強化研究提供了借鑒。


海洋多糖在電磁波吸收和電磁干擾屏蔽領域的應用


2.基于海洋多糖的電磁波吸收和電磁干擾屏蔽材料的電磁衰減機制：


  （1）電磁波吸收機理：電磁波的產生、傳播和衰減；電磁參數；性能表征；影響因素；

 


海洋多糖基材料的電磁波吸收機理


  （2）電磁干擾屏蔽機理；

 

海洋多糖基材料的電磁干擾屏蔽機理


3.海洋多糖基電磁波吸收材料：


  （1）海藻多糖及其衍生物：海藻多糖基氣凝膠；海藻多糖基衍生碳/磁性粒子復合氣凝膠；海藻多糖基衍生碳/磁性粒子復合氣凝膠的電導率調控；雜原子摻雜的海藻多糖衍生碳基氣凝膠；
  （2）殼聚糖基氣凝膠；
  （3）其他海洋多糖衍生碳基吸收劑。


  海洋多糖基材料在電磁波吸收領域的深入研究，為構建磁/介復合多重損耗機制提供了一種綠色、有應用前景的環(huán)境友好型策略。該路線有效地克服了單一磁性材料密度過大、易腐蝕、有效吸收帶寬較窄、制備工藝復雜、單一介電材料阻抗不匹配等缺點。此外，有關組分和微觀結構的雙重調節(jié)機制有效作用于阻抗匹配和衰減常數，有助于實現電磁波吸收性能的突破。


  然而，大多數海洋多糖基電磁波吸收材料的吸收頻段集中在中高頻區(qū)，其微觀多孔結構的穩(wěn)定性也很難得以控制。此外，磁性粒子尺度的不可控性導致碳骨架的形成受到抑制，且很難最大程度地發(fā)揮磁損耗的優(yōu)勢。雜原子摻雜是拓寬有效吸收頻段的有效途徑。未來應重點研究基于海洋多糖的低頻電磁波吸收，探索更多類型的雜原子摻雜工程，促進海洋多糖基電磁波吸收材料的集成和高效開發(fā)。


4.海洋多糖基電磁干擾屏蔽材料：


  （1）海洋多糖/MXene復合基氣凝膠；
  （2）海洋多糖/導電填料復合基氣凝膠；


  用導電材料取代傳統的金屬材料，通過提高導電性和減小厚度來制備輕質多功能海洋多糖基電磁干擾屏蔽材料是一種有效的策略。海洋多糖為一系列導電材料提供了穩(wěn)定的化學環(huán)境和強大的結合力，協助導電材料構建多層反射結構。然而，原材料的可燃性和腐蝕性，制備過程中所需的苛刻的反應條件，生產過程中產生的有機和酸性廢水，以及一些對人類健康、設備和環(huán)境構成威脅的因素，應該引起研究人員關注。此外，具有不同的表面化學性質和可調節(jié)電導率的多功能海洋多糖基電磁干擾屏蔽材料也是未來的研究熱點。


5.結論和展望


  海洋多糖作為一類代表性的天然高分子生物質，在電磁波吸收和電磁干擾屏蔽領域有著潛在的應用價值。從目前的研究現狀來看，盡管在其化學成分的可調性、微觀結構的可設計性以及優(yōu)異性能的開發(fā)等方面取得了一些進展，但海洋多糖基電磁響應材料仍面臨諸多挑戰(zhàn)，分別從以下四個方面做出了前瞻性預測。


  （1）當下迫切需要開發(fā)一些可控手段和策略來優(yōu)化海洋多糖材料的多孔微觀結構，有助于海洋多糖基電磁響應材料的功能成分設計；
  （2）應采用更有效的高科技手段探索海洋多糖基電磁響應材料的晶體結構和電子特性，以預測其電磁參數和衰減機制；
  （3）在后續(xù)的研究中，應將海洋多糖獨特的結構優(yōu)勢與具有不同電磁特性的材料相結合，設計出各種具有頻段調節(jié)功能的高性能電磁響應材料；
  （4）通過多學科交叉策略結合科學計算和理論模型來分析和驗證電磁衰減機制，以便準確預測海洋多糖基電磁響應材料的未來發(fā)展前景。



  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2TA03529D

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（責任編輯：xu）
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