【背景介紹】
太赫茲技術的快速發展需要高性能的電磁幹擾（EMI）屏蔽材料來創建安全的電磁環境。儘管在實現卓越的屏蔽效率（SE）方面取得了巨大突破，但傳統的屏蔽材料仍具有高反射率，一旦形成就無法進行重新編輯或回收，從而導致有害的二次電磁汙染和適應性差。
【科研摘要】
最近，愛爾蘭都柏林聖三一學院Ji Liu 和Valeria Nicolosi教授團隊通過生物礦化啟發的組裝路徑來製造結合了MXene和聚丙烯酸的水凝膠型屏蔽材料。該複合水凝膠顯示出優異的可拉伸性和可回收性，良好的形狀適應性和粘合性，以及快速的自修復能力，證明了極大的應用靈活性和可靠性。更有趣的是，由於多孔結構，適度的電導率和內部富水環境的結合，水凝膠的屏蔽性能顯示出吸收為主的特徵。在極薄的水凝膠（0.13 mm）中，可以同時實現45.3 dB的高EMI SE和有效的吸收帶寬（0.2–2.0 THz），以及出色的23.2 dB的反射損失。此外，這種水凝膠表現出敏感的變形響應，並且可用作皮膚上的傳感器。這項工作不僅為設計下一代EMI屏蔽材料提供了另一種策略，而且為在宏觀尺度上製造MXene複合材料提供了一種高效便捷的方法。相關成果以題為Multifunctional Ti3C2Tx MXene Composite Hydrogels with Strain Sensitivity toward Absorption-Dominated Electromagnetic-Interference Shielding發表在納米知名期刊《ACS Nano》上。
【圖文解析】
1.Ti3C2Tx納米片及水凝膠的製備
MXene複合水凝膠是通過生物礦化啟發的組裝過程合成的，如圖1a，b所示。首先通過選擇性地化學蝕刻Ti3AlC2粉末的Al層，然後進行超聲輔助剝離來合成Ti3C2Tx MXene納米片。通過掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）觀察了它們的超薄和幾何特徵。剝落的Ti3C2Tx的X射線衍射（XRD）圖在2θ= 6.62°處顯示一個尖銳的（002）峰，與在Ti3AlC2（0.91 nm）中觀察到的相比，其層間距離增大了1.33 nm，並且 沒有檢測到Ti3AlC2的衍射峰（圖1c）。這些結果證實了Ti3C2Tx納米片的成功剝離。接著，為了獲得MXene複合水凝膠，通常將Ti3C2Tx MXene懸浮液在劇烈攪拌下與PAA和CaCl2混合以形成穩定的混合物。然後，用移液器小心地添加Na2CO3溶液，直到逐漸形成粘性沉澱為止。
圖1. MXene複合水凝膠的製備和結構表徵。
2. MXene複合水凝膠功能特性
MXene複合水凝膠具有許多有趣的功能。例如，水凝膠是高度可拉伸的和可延展的。如圖2a所示，在破裂之前，可以將一塊水凝膠重複拉伸成具有超過1500％應變的可拉伸性的纖維狀材料。流變行為進一步賦予水凝膠優異的加工性能（圖2b，c）。如圖2c所示，水凝膠用作擠出印刷的油墨，可以從噴嘴順暢地擠出以形成複雜的形狀，從而為滿足苛刻的設計規則和大規模應用提供了誘人的機會。更重要的是，由於其柔軟，粘著和可延展的特性，複合水凝膠可以保形地粘附於具有複雜3D幾何形狀的物體，並且在變形過程中可以保持完好無損，與常規的EMI屏蔽材料（如MXene薄膜）相比，它具有明顯的優勢。具有出色的屏蔽性能，但對變形的適應性非常有限（圖2d–f）。
圖2.照片顯示了MXene複合水凝膠的（a）可拉伸性，（b，c）可加工性，（d–f）形狀適應性和粘合性以及（g，h）快速自愈能力。（i）在環境條件下的切割修復過程中電阻的變化。（j）循環切割修復過程。
3. MXene複合水凝膠電磁屏蔽效應
為了探索MXene複合水凝膠的EMI屏蔽性能，首先要研究其電性能。圖3a示出了電導率對MXene含量的依賴性。電導率隨MXene含量的增加而略有增加，但保持在0.1至0.8 S m-1的較低範圍內。太赫茲時域光譜顯示，MXene複合水凝膠的透射太赫茲輻射強度遠小於入射波，並且當MXene含量超過8.5 wt％時幾乎無法檢測到，定性證明了入射太赫茲電磁波幾乎完全屏蔽的（圖3b）。圖3d顯示了MXene複合水凝膠的RL曲線。所有樣品在測量的頻率範圍內均表現出優異的輻射吸收特性，為進一步確定屏蔽機理，分別比較了MXene複合水凝膠和泡沫以及純PAA-ACC水凝膠的太赫茲EMI屏蔽和吸收性能（圖3e）。
圖3.吸收為主的太赫茲EMI屏蔽性能。（a）MXene複合水凝膠的電導率。（b）THz-TDS光譜和（c）MXene複合水凝膠的EMI SE。（d）MXene複合水凝膠的RL曲線。（e）MXene複合水凝膠和參考樣品之間太赫茲EMI屏蔽和吸收性能的比較。（f）建議的MXene複合水凝膠的吸收主導型EMI屏蔽機制。（g）顯示MXene複合水凝膠的表面形態的SEM圖像。（h）太赫茲屏蔽和吸收性能的比較。（i）MXene複合水凝膠（0.29 mm）在不同狀態下的太赫茲EMI屏蔽性能。
為了進一步確定屏蔽機理，分別比較了MXene複合水凝膠和泡沫以及純PAA-ACC水凝膠的太赫茲EMI屏蔽和吸收性能（圖3e）。PAA-ACC水凝膠是絕緣的，但仍顯示12.6 dB的中等EMI SE值和強大的電磁吸收能力（RLMAX = 31.3 dB，EAB = 1.75 THz），證實了水對消散穿透波的積極作用。
4.可穿戴電子皮膚
除了提供吸收主導的電磁保護功能外，MXene複合水凝膠還顯示出對變形的機電響應，並可用作感知人體運動和數字監測生命信號的傳感器，這是可穿戴智能電子產品的高度需求。因此，通過使用彈性體VHB膠帶作為基材封裝水凝膠來製造傳感器。如圖4a所示，傳感器的電阻在單軸拉伸下隨應變的增加而單調增加。如圖4d，e所示，當手指和手臂反覆彎曲時，記錄了傳感器的響應行為。傳感器可以重複響應運動並檢測彎曲角度。此外，通過將傳感器分別安裝在脖子和前額上，可以成功地檢測到更複雜和微妙的身體運動，例如吞咽和皺眉（圖4f，g）。
圖4.（a）傳感器的歸一化電阻與拉伸關係。（b）在不同拉伸變形下傳感器的標準化電阻變化。（c）在不同變形頻率下，傳感器在50％應變下的標準化電阻變化。傳感器的電阻響應於不同的身體運動而變化：（d）手指彎曲，（e）手臂彎曲，（f）吞咽和（g）皺眉。電阻根據（h）水滴和（i）傳感器上的籤名而變化。
【總結】
作者組織開發了一種多功能的MXene複合水凝膠，它具有出色的可拉伸性和可回收性，良好的形狀適應性和粘合性，快速的自修復能力以及可提供有效太赫茲EMI屏蔽的感測能力。適度的電導率，多孔結構和內部富水環境之間的協同作用使水凝膠具有吸收為主的EMI屏蔽性能。0.13 mm厚的水凝膠的EMI SE達到45.3 dB，RLMAX值為23.2 dB，寬的EAB涵蓋了整個測得的頻率範圍（0.2–2.0 THz），優於迄今為止報導的其他太赫茲屏蔽和吸收材料。此外，水凝膠型屏蔽材料可以保形地粘附到具有任意複雜幾何形狀的物體上，並可以快速地從損壞中恢復過來，這顯示了在可穿戴電子產品和人造皮膚中應用的巨大希望。因此，我們相信這項工作可以為設計下一代太赫茲EMI屏蔽材料提供另一種策略，並為在宏觀尺度上開發多功能3D MXene結構提供一種高效便捷的方法，這將大大擴展MXene材料的應用範圍。
參考文獻：
doi.org/10.1021/acsnano.0c08830
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