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  隨著多波段、寬帶智能通信系統(tǒng)、電子探測設備、合成孔徑雷達的廣泛、快速發(fā)展，空間電磁污染引發(fā)了生物不適、電磁干擾、信息泄露等諸多嚴重的負面問題。更重要的是，L(1-2 GHz)和S(2-4 GHz)頻段的低頻波段因其高發(fā)射功率也在第五代(5G)通信、遠程地空預警雷達、氣象探測等領(lǐng)域得到廣泛應用。因此，為應對日益復雜的電磁環(huán)境，探索能夠同時覆蓋低、中、高頻的高性能寬帶電磁波吸收材料具有重要意義。從根本上說，因為更高的損耗能力意味著更差的阻抗匹配，實現(xiàn)寬帶電磁波吸收的核心是解決多頻段的阻抗匹配和高強度電磁波耗散能力的矛盾。

  近日，南開大學黃毅教授和馬文樂助理研究員，針對寬頻電磁波吸收材料低頻吸收性能差的難題，首次采用新穎的強磁-介電協(xié)同梯度的設計策略，構(gòu)建了由取向磁性薄膜和周期性石墨烯基氣凝膠組成的電磁波吸收超材料，展現(xiàn)出優(yōu)異超寬頻多頻譜兼容的電磁波吸收性能，首次實現(xiàn)有效吸收頻段覆蓋1-40,50-110 GHz和0.1-2.0THz，此外該超材料在不同入射角度下都可以保持優(yōu)異的多頻譜隱身性能。這項工作為即將到來的智能時代隱身技術(shù)的發(fā)展提供了巨大的推動力。相關(guān)研究在國際知名期刊Advanced Functional Materials上發(fā)表，題為“Strong Magnetic-Dielectric Synergistic Gradient Metamaterials for Boosting Superior Multispectral Ultra-Broadband Absorption with Low-Frequency Compatibility”。

研究要點1：

圖1石墨烯周期性單元和定向磁膜組成的磁電協(xié)同超材料的制備原理圖

研究要點2：

  作者通過電磁仿真軟件對強磁-介電協(xié)同梯度超材料的寬頻電磁波吸收性能進行優(yōu)化，對比單一的磁性羰基鐵薄膜和石墨烯基氣凝膠材料，本研究中提出的新型磁-介電協(xié)同梯度超材料展現(xiàn)出優(yōu)異的寬頻電磁波吸收性質(zhì)，同時可以有效改善吸波材料在低頻頻段吸收差的難點。

研究要點3：

圖 4. 電磁波吸收機理分析

  作者展示了一種由周期性石墨烯氣凝膠單元和柔性定向羰基鐵薄膜組成的新型磁-介電協(xié)同超材料。采用定向冷凍干燥法制備了垂直定向結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠，采用刮涂技術(shù)制備了水平定向的大規(guī)模定向羰基鐵薄膜。通過仿真和實驗驗證了磁-介電協(xié)同超材料的寬帶吸收性能取決于石墨烯氣凝膠單元的幾何形狀和磁膜的磁損失容量。與以往的寬帶電磁波吸收材料相比，新型磁-介電協(xié)同超材料提供了增強的多光譜超寬帶電磁波吸收性能，其有效吸收頻段可以覆蓋1 - 40, 50-110 GHz和0.1-2 THz。整個測試頻率的平均反射損耗高達-19.3 dB (電磁波被吸收98.8%)。此外，當天線的入射角從5°增加到45°時，磁-介電協(xié)同超材料保持了良好的寬帶吸收性能。

作者簡介

  黃毅，南開大學材料科學與工程學院教授，博導。長期致力于新型電磁功能材料的研究，于2015年率先發(fā)展了基于三維石墨烯的寬頻雷達隱身材料，實現(xiàn)了吸波強度和有效吸波頻段智能可調(diào)（Adv. Mater., 2015, 27, 2049）；2018年首次報導了石墨烯復合材料的高效、超寬頻太赫茲吸波性能（Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704363）；2022年突破了新型二維磁性材料Fe₃GeTe₂的宏量制備方法，并率先獲得了對微波/太赫茲的高效吸收/屏蔽，實現(xiàn)了寬帶雷達散射截面的有效縮減（ACS Nano, 2022,16, 7861）；2023年提出一種墨水直寫3D打印策略制備具有高強度氣凝膠材料，實現(xiàn)精確可調(diào)的MXene高性能電磁波吸收器。