電磁輻射在日常生活中無處不在，除了太陽光等天然存在的電磁波，以電磁技術(shù)為基礎(chǔ)的許多發(fā)明創(chuàng)造都會向空間輻射電磁能量。如何避免過度電磁輻射污染成為人們關(guān)注的重點。

“要使材料同時擁有優(yōu)秀的屏蔽和高效的電磁吸收性能，實現(xiàn)綠色屏蔽是非常困難的，因為材料的吸收和反射之間存在相反的依賴關(guān)系。”北京理工大學(xué)教授曹茂盛在接受《中國科學(xué)報》采訪時表示。

為了解決這一難題，曹茂盛團隊研發(fā)出一種新型多孔納米纖維，能兼顧電磁吸收和屏蔽性能。“這意味著材料自身的本征衰減性能很強，能夠同時實現(xiàn)電磁吸收和屏蔽的工作狀態(tài)，對5G智能時代的通信及國防高技術(shù)領(lǐng)域的多功能器件研發(fā)有重要作用。”

該成果近日發(fā)表于《納微快報》。

“魚和熊掌可以兼得”

在超長距離能量傳輸、軍事隱身、電氣設(shè)備抗干擾等方面，電磁功能材料發(fā)揮著重要作用。近幾十年來，涌現(xiàn)出許多有價值的吸波材料，如碳材料、金屬基材料、聚合物等。

“傳統(tǒng)電磁屏蔽材料，主要通過金屬導(dǎo)電材料提高屏蔽效能，電磁波無法穿透材料，進而通過反射的方式進入環(huán)境，但強烈的二次反射可能會對其他‘鄰居’造成影響。”曹茂盛對記者說。

為了消除電磁輻射對環(huán)境的影響，打造環(huán)境友好型屏蔽材料，2010年，曹茂盛開始帶領(lǐng)團隊以碳纖維為研究對象，研發(fā)兼?zhèn)涓咝щ姶盼蘸碗姶牌帘蔚牟牧?，即綠色電磁屏蔽材料。

“由于吸收和反射之間的競爭效應(yīng)，電磁屏蔽材料的反射越高，其吸收能力就越弱，要找到電磁吸收和屏蔽性能的平衡點十分困難。”曹茂盛說。

當(dāng)時，國內(nèi)外對綠色屏蔽材料的研究并不多，但他知道，電磁特性與電子器件相結(jié)合是先進電磁器件創(chuàng)新和突破的必然趨勢。

經(jīng)過多年探索，曹茂盛團隊通過雙模板方法剪裁了多孔鈷酸鎳納米纖維結(jié)構(gòu)，調(diào)控了極化和電荷傳輸特性，獲得了兼?zhèn)潆姶盼蘸推帘?span id="t5xaz0velqtr" class="keyword">性能的鈷酸鎳納米纖維。“這是一種優(yōu)秀的綠色屏蔽材料”。

“這種多孔納米結(jié)構(gòu)是由空心或多腔納米球組裝而成的纖維結(jié)構(gòu)，表面粗糙不平，內(nèi)部具有許多孔洞。粗糙的表面提高了多重反射和散射的概率，多重孔洞則降低了材料有效密度。”論文第一作者、北京理工大學(xué)博士張敏告訴《中國科學(xué)報》。

曹茂盛指出，多孔納米結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、高比表面、電子傳輸通道豐富等特征，在催化、超級電容器、電磁衰減等領(lǐng)域，特別是電磁性能方面具有很大潛力，透徹理解其生長機理有助于調(diào)控材料性能，對促進電磁功能材料的創(chuàng)新具有重要意義。

源于大自然的靈感

讓材料兼顧高效電磁吸收和屏蔽的關(guān)鍵在于納米結(jié)構(gòu)，而曹茂盛團隊已經(jīng)對納米結(jié)構(gòu)進行了上千次的材料實驗，但都沒有取得理想效果。

雷達波一旦進入森林就會失效，這些自然現(xiàn)象突然點醒了曹茂盛：“原來生物界就有最好的吸波屏蔽材料結(jié)構(gòu)!”

為此，他帶領(lǐng)團隊開始對自然界的屏蔽材料結(jié)構(gòu)進行研究，并借助仿生學(xué)和生態(tài)學(xué)原理進行了大量嘗試，研究了工藝條件對材料結(jié)構(gòu)和形貌的影響，據(jù)此剪裁材料的空間維度，構(gòu)筑三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。通過比對分析，最終獲得了具有綠色屏蔽功能的鈷酸鎳納米纖維，探明了電磁吸收和電磁屏蔽的工作狀態(tài)及平衡機制。

曹茂盛認為，科研的靈感離不開長期的積累和不間斷的探索，同時還要開展交叉學(xué)科的創(chuàng)新研究。

然而新事物從產(chǎn)生到被接受并非易事，最初有關(guān)綠色屏蔽材料文章的發(fā)表可謂一波三折。“基礎(chǔ)研究的創(chuàng)新，不僅僅是發(fā)表文章，更重要的是每篇論文可以給同行帶來怎樣的觀點和啟發(fā)，也就是常說的新材料、新結(jié)構(gòu)、新機制、新規(guī)律。”曹茂盛說。

論文共同第一作者、北京理工大學(xué)博士韓陳指出，目前，多孔納米纖維的綠色屏蔽性能還有進一步優(yōu)化的潛力，接下來，他們還要進一步開發(fā)新的精確剪裁策略以提高材料的有效吸收，并找到平衡吸收和反射的最佳電導(dǎo)率，這也是未來的挑戰(zhàn)。

享受科研過程

10年前，在曹茂盛團隊剛開始對綠色屏蔽材料進行研究時，國內(nèi)外鮮有此方面的報道。在這條未知的道路上“摸著石頭過河”，他從未感到過枯燥或茫然，而是十分享受。

“實際上，我們還有很多其他方面的研究，綠色屏蔽材料并非主戰(zhàn)場，但具有很重要的意義，而科學(xué)問題具有很多共通之處，這一研究成果凝集了許多屆師生共同的力量。”曹茂盛告訴記者。

對于綠色屏蔽材料的應(yīng)用前景，曹茂盛非常有信心。“具有綠色屏蔽性能的多孔材料將在電磁吸收和屏蔽領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，特別是在電磁輻射防護器具、無線電磁傳感器件方面具有一定的市場前景。”

對于這種新型屏蔽材料的市場競爭力，曹茂盛也有自己的設(shè)想。“雖然前期投入了較高的科研成本，但原材料的成本并不高，未來如果將產(chǎn)品搭載于具有高附加值的先進制造成果上，產(chǎn)品的價格將具有很大優(yōu)勢。”

“目前該研究成果還處于實驗室階段，要走向產(chǎn)業(yè)化還有一段路程。一方面，要進一步探索材料合成制備的細節(jié)，確立產(chǎn)品的評價標(biāo)準(zhǔn);另一方面要降低材料生產(chǎn)成本，完善制造工藝，實現(xiàn)綠色屏蔽材料產(chǎn)業(yè)化。”曹茂盛表示。田瑞穎

關(guān)鍵詞： 電磁輻射 污染