【背景介绍】

随着太赫兹技术的快速发展，对高性能的电磁干扰（EMI）屏蔽材料的需求日益增加，以创建安全的电磁环境。尽管在提升屏蔽效率（SE）方面取得了显著进展，但传统的屏蔽材料仍存在高反射率的问题。一旦制成，这些材料便无法重新编辑或回收，从而导致有害的二次电磁污染和较差的适应性。

【研究摘要】

最近，爱尔兰都柏林圣三一学院的Ji Liu和Valeria Nicolosi教授团队受生物矿化的启发，开发了一种结合MXene和聚丙烯酸（PAA）的水凝胶型屏蔽材料。该复合水凝胶展现出卓越的可拉伸性和可回收性，良好的形状适应性和粘合性，以及快速的自愈能力，体现了极高的应用灵活性和可靠性。有趣的是，由于其多孔结构、过高的电导率和外部富水环境的结合，水凝胶的屏蔽性能表现出吸收为主的特点。在厚度仅为0.13毫米的水凝胶中，实现了45.3分贝的高EMI屏蔽效率（SE）和有效的吸收带宽（0.2–2.0 THz），以及23.2分贝的优异反射损耗。此外，这种水凝胶还表现出敏感的变形响应，可用作皮肤上的传感器。这项研究不仅为下一代EMI屏蔽材料的设计提供了新思路，也为在宏观尺度上制造MXene复合材料提供了一种高效便捷的方法。研究成果发表在《ACS Nano》杂志上，题为“Multifunctional Ti3C2Tx MXene Composite Hydrogels with Strain Sensitivity toward Absorption-Dominated Electromagnetic-Interference Shielding”。

【图文解析】

1. Ti3C2Tx纳米片及水凝胶的制备

MXene复合水凝胶是通过受生物矿化启发的组装过程合成的。首先，通过选择性地化学蚀刻Ti3AlC2粉末中的铝层，然后进行超声辅助剥离，制备Ti3C2Tx MXene纳米片。通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察到这些纳米片的超薄和几何特征。剥离后的Ti3C2Tx在X射线衍射（XRD）图谱中显示出一个尖锐的（002）峰，层间距比Ti3AlC2中的大1.33纳米，未检测到Ti3AlC2的衍射峰。随后，为了制备MXene复合水凝胶，通常将Ti3C2Tx MXene悬浮液与PAA和CaCl2混合，并通过添加Na2CO3溶液形成稳定的混合物。

2. MXene复合水凝胶的功能特性

MXene复合水凝胶具备多种有趣的功能。例如，水凝胶具有很高的可拉伸性和延展性。在断裂之前，水凝胶可以被拉伸成超过1500%应变的纤维状材料。流变行为赋予水凝胶优秀的加工性能。水凝胶可以用作挤出印刷的墨水，能够从喷嘴顺畅挤出以形成复杂的形状，为满足苛刻的设计规则和大规模应用提供了可能性。此外，由于其柔软、粘合和可延展的特性，复合水凝胶可以贴合到具有复杂三维几何形状的物体上，并在变形过程中保持完好无损，与传统的EMI屏蔽材料相比，它具有明显优势。

3. MXene复合水凝胶的电磁屏蔽效应

为了研究MXene复合水凝胶的EMI屏蔽性能，首先探讨其电性能。电导率随MXene含量的增加而略有上升，但保持在0.1至0.8 S m-1的较低范围内。太赫兹时域光谱表明，MXene复合水凝胶的透射太赫兹辐射强度远低于入射波，且当MXene含量超过8.5 wt%时几乎无法检测到。定性证明了入射太赫兹电磁波几乎完全被屏蔽。此外，MXene复合水凝胶的反射损耗曲线显示所有样品在测量的频率范围内均表现出优秀的辐射吸收特性。为了进一步确定屏蔽机理，比较了MXene复合水凝胶与泡沫以及纯PAA-ACC水凝胶的太赫兹EMI屏蔽和吸收性能。

4. 可穿戴电子皮肤

除了提供吸收主导的电磁保护功能，MXene复合水凝胶还展示了对变形的机电响应，并可用作感知人体运动和监测生命信号的传感器。因此，通过使用弹性体VHB胶带作为基材封装水凝胶来制造传感器。实验结果表明，传感器的电阻在单轴拉伸下随应变的增加而单调增加。传感器可以反复响应运动并检测弯曲角度。此外，传感器还可以成功检测到更复杂的身体运动，如吞咽和皱眉。

【总结】

作者团队开发了一种多功能的MXene复合水凝胶，该水凝胶具有出色的可拉伸性和可回收性、良好的形状适应性和粘合性、快速的自愈能力和提供有效太赫兹EMI屏蔽的传感能力。过度的电导率、多孔结构和外部富水环境的协同作用使得水凝胶具有吸收为主的EMI屏蔽性能。0.13毫米厚的水凝胶实现了45.3分贝的高EMI屏蔽效率和23.2分贝的反射损耗，宽的吸收带宽覆盖了整个测量频率范围（0.2–2.0 THz），优于目前报道的其他太赫兹屏蔽和吸收材料。此外，水凝胶型屏蔽材料可以贴合到任意复杂几何形状的物体上，并能迅速从损伤中恢复，这显示了在可穿戴电子产品和自然皮肤应用中的巨大潜力。因此，这项工作为设计下一代太赫兹EMI屏蔽材料提供了新思路，并为在宏观尺度上开发多功能3D MXene结构提供了一种高效便捷的方法，将大大扩展MXene材料的应用范围。

参考文献

doi.org/10.1021/acsnano.0c08830

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