背景简介
智能电磁干扰屏蔽材料以其可调谐的电磁波响应特性而备受关注。然而，分子水平的响应机制尚不清楚，调节范围较窄。本研究提出了一种基于分子精密操作的电磁屏蔽开关水凝胶，该水凝胶具有自适应调节电磁屏蔽性能的热阻网络。它有两个温控开关状态：开/关和强/弱屏蔽。水凝胶由互穿聚乙烯醇（PVA）和聚（n -异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）网络组成，具有热收缩性能。在其内部组装了温度诱导的高接触电阻MXene-碳纳米管（MXene-CNTs）导电网络。这种组合使水凝胶在x波段具有可切换的EMI屏蔽性能，在不同温度或厚度下的屏蔽范围为9.3-53.9dB。卓越的性能是由温度驱动的收缩矩阵和热阻网络的协同效应产生的，包括导电颗粒堆积、水凝胶电导率和电磁波传输路径的调整。MXenes提供遥控光热响应开/关可切换EMI屏蔽。值得注意的是，水凝胶的自修复特性使其能够承受损伤，并且可以快速恢复其电磁干扰屏蔽性能。本工作为分子水平上自适应电磁干扰屏蔽器件的合理设计开辟了新的途径。
成果简介
本文制备了一种温度响应型相变水凝胶。通过精确控制材料配比，将MXene与长碳纳米管结合，在PVA和PNIPAM互穿的温敏水凝胶中形成热阻网络。水凝胶具有可调节的屏蔽性能，可以通过改变厚度来调节。此外，它还可以根据环境变化开启/关闭可切换的电磁干扰屏蔽。在厚度为1mm时，水凝胶的电磁干扰屏蔽效能（EMI SE）从16.2dB下降到9.3dB。在厚度为2mm时，EMI SE从27.0下降到11.3dB。此外，在厚度为4mm时，EMI SE从53.9dB下降到37.0dB。由于互穿的聚合物网络促进了可逆的氢键，以及MXene和CNTs之间的粘合相互作用，水凝胶具有显著的自愈性能。愈合后的水凝胶保持了52.1dB的高EMI SE，愈合效率为96.7%。电磁干扰屏蔽开关为制造各种领域的电磁干扰屏蔽材料提供了一种创新策略，例如无线通信，智能可穿戴设备和自修复电子系统，其中动态和自适应电磁屏蔽至关重要。
全文导读
图1. a）显示PMCP水凝胶的制备过程的示意图。b，c）PMCP水凝胶TEM图像。d）水凝胶表面形态SEM图像（插图显示水凝胶的横截面）。e）EDS图谱（比例尺100μm）。
图2. PMCP水凝胶的动态调节：a）不同温度下水凝胶的光学照片和横截面的SEM图像。b）温度依赖性拉曼光谱。c）变温FT-IR光谱。d）不同温度下的原位紫外-可见吸收光谱和相应的机理图示。
图3. 不同温度下a-f）PMP-x（x代表MXene的质量分数，x=0、3、7、11、15）的可调SET。g）凝胶的屏蔽率（ΔX）与含水量变化（Δwc）的关系。
图4. 可调EMI屏蔽性能和相关机制。a-c）2mm厚PMCP水凝胶在不同温度下的总屏蔽效率（SET）。d）PMCP-2的SET、吸收屏蔽效率（SEA）和反射屏蔽效率（SER）。e）PMP-11和PMCP-2水凝胶的电导率变化。f）PMCP-2水凝胶的电磁模拟模型，（g1）25°C和（g2）45°C下的电场分布，（h1）25°C和（h2）45°C下的表面电流密度。i）可调屏蔽性能的示意图。
图5. a，b）PMCP-2水凝胶在不同厚度下的可调SET和屏蔽效率。c）具有屏蔽能力的移动的电话，可进行可逆的开/关切换。d）15次循环的可逆EMI屏蔽性能。
图6. a）氢键介导的PMCP-2水凝胶的动态破坏和重构机制。b）受损PMCP-2的数码照片和显微镜图像。c）PMCP-2水凝胶在具有LED的电路中的自愈过程的快照。d）PMCP-2的拉伸应力-应变曲线。e）EMI屏蔽有效性PMCP-2的EMI SE在不同时间愈合。
总结
综上所述，已经开发了一种光可调谐的、温度响应的智能屏蔽材料，其表现出可逆的开/关切换电磁屏蔽性能和快速自修复能力。在PMCP水凝胶的相变过程中，聚合物网络的温度诱导收缩，以及突变的CNT和MXene之间产生的界面电阻，形成了这种材料的温度响应机制的基础。在X波段，不同厚度的PMCP可以实现9.3-53.9dB的调谐范围，这取决于外部温度。总之，实现了两种调制状态。 第一个是开/关状态，它可以在两个调谐幅度（即16.2-9.3和27.0-11.3dB）之间进行可逆切换。第二种是强/弱屏蔽状态，允许在53.9和37.0dB之间切换。 此外，PMCP具有光热响应性，使得远程光调谐电磁波传输的开/关状态成为可能。提出的材料设计状态为先进的智能EMI屏蔽设计提供了一种新的途径。
论文链接
Jingyuan Tang, Yi Gao, Tian Li, Renchi Qin, Qing Qi, and Fanbin Meng
Thermoresistive Network in Phase-Transition Hydrogel: Achieving on/off Switchable Electromagnetic Interference Shielding
ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS 2025
