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Nature Communications-具有高度有序结构的类黑色素纳米纤维具有超高的比电磁干扰屏蔽效率-四川大学李乙文

随着航空航天与军事装备对高速作战与复杂环境隐蔽性要求的日益严格，电磁屏蔽材料正向轻量化、高性能方向迭代升级。传统金属基材料因密度过高难以满足需求，而高共轭无机材料（如碳纳米管、石墨烯）虽具潜力，却面临加工兼容性差、结构调控困难等挑战；有机材料石墨化策略则因固有缺陷导致性能受限。黑色素作为天然能量耗散生物大分子，凭借其宽谱能量吸收特性（从电离辐射至近红外光）在辐射防护、光热转换等领域备受关注，但其无序结构无法形成长程电子传导路径，难以响应微波波段（波长1 mm–1 m）。因此，构建具有高度有序微结构的黑色素类似聚合物，是突破轻量化高性能电磁屏蔽材料的关键。

四川大学李乙文团队创新性地采用5-羟基吲哚调控黑色素聚合过程，通过增强5,6-二羟基吲哚（DHI）四聚体的π−π堆叠并抑制氢键交联，首次制备出高度有序的聚多巴胺（PDA）纳米纤维。该纳米纤维经冷冻干燥与高温热解（600–900°C）转化为多级皮芯结构的碳气凝胶（NFAG）。NFAG-900展现出卓越的微波吸收性能：在2.5 mm厚度下，最小反射损耗（RLmin）达−68.87 dB（10.62 GHz），有效吸收带宽（EAB）为5.25 GHz（覆盖8.37–13.62 GHz）。其电磁屏蔽性能同样突出：密度3.11 mg/cm³、厚度2 mm时，比电磁屏蔽效能（SSE/t）高达47,909.9 dB·cm²/g。机制上，有序π堆叠构建长程电子传导网络，多级皮芯结构通过界面极化与多重反射增强电磁损耗。雷达散射截面（RCS）仿真证实，NFAG-900涂层使F-35隐身战机在10.46 GHz频点的平均RCS衰减达−35.88 dB（入射角0°），具备实战化潜力。相关研究以“Melanin-like nanofibers with highly ordered structures achieve ultrahigh specific electromagnetic interference shielding efficiency”发表于Nature Communications上。

通过5-羟基吲哚与多巴胺共聚调控分子间作用力，实现由无序纳米颗粒向有序纳米纤维的转变（图1A–C）。高分辨透射电镜（HRTEM）显示层间距≈3.4 Å，与π−π堆叠理论值吻合（图1D）。X射线光电子能谱（XPS）与元素分析（EA）证实羟基吲哚摩尔占比17.8%（图1E），超高效液相色谱-质谱（UPLC-MS）分离出DHI环状四聚体（M3）（图1H）。分子动力学模拟（GROMACS）揭示M3主导轴向堆叠（结构1），与5-羟基吲哚二聚体（M2）通过氢键/π−π作用形成偏转并列排列（结构2–4）（图1G）。X射线衍射（XRD）在20°–25°出现显著π堆叠特征峰，非晶包络峰仅占2.1%（图1H）；拉曼光谱中1580 cm⁻¹处尖锐G峰（D/G面积比1.61%）进一步证实高度有序性（图1F）。

PDA纳米纤维经冷冻干燥与氮气氛围热解（600–900°C）转化为NFAG气凝胶（图2A）。扫描电镜（SEM）显示热解后纤维形貌保留完整，且随温度升高表面烧结致密化（图2B–D）。XPS证实热解消除N/O元素，形成氧空位与电子-空穴对（图2E）。拉曼光谱中D/G强度比（ID/IG）升至0.822（NFAG-900），表明石墨化程度提高（图2F）；傅里叶变换红外光谱（FTIR）中C=O/C-N峰消失（图2G）。N2吸脱附测试揭示NFAG-900比表面积达885.65 m²/g（为碳化PDA纳米颗粒的4倍），以<2 nm微孔为主（图2H），利于构建气-固异质界面并优化阻抗匹配。

NFAG的损耗机制涵盖三方面：微孔与皮芯结构增强界面极化；氧空位/缺陷引发德拜弛豫极化；有序π堆叠网络促进欧姆损耗（图3A–B）。NFAG-900在2.5 mm厚度下实现RLmin= −68.87 dB（10.62 GHz）与EAB = 5.25 GHz（图3C–D），性能超越多数报道的碳基吸收体（图3E）。阻抗匹配分析显示|Zin/Z0|≈0.98（10.62 GHz），匹配度优异（图3F）；Cole-Cole曲线中低频线性区（界面极化）与高频半圆区（德拜弛豫）证实多重极化机制（图3H）。厚度依赖的EAB符合λ/4谐振理论（图3G）。

屏蔽机制以吸收为主导：入射电磁波经表面阻抗匹配后，在皮芯结构中通过传导损耗与界面极化耗散（图4A）。NFAG-900电导率达103.47 S/m（较石墨化PDA提升10⁶倍），屏蔽效能（SE）随热解温度上升（图4C–D）。密度3.11 mg/cm³时，SSE/t达47,909.9 dB·cm²/g（图4B），为已报道气凝胶的最高值。SEM/TEM揭示多尺度皮芯结构：表层纤维烧结形成致密外壳（厚度≈200 nm），内部保留多孔网络；高分辨下表面π堆叠增强（层间距≈0.34 nm），异质界面进一步促进电磁耗散（图4I）。

以F-35战机为模型，FEKO软件模拟NFAG-900涂层（2.5 mm厚）在10.46 GHz的雷达散射截面（RCS）。单站RCS显示：入射角0°、10°、−10°时平均RCS衰减分别为−35.88 dB、−36.56 dB、−35.45 dB；10°入射角下最优衰减达−50.47 dB（方位角153°）（图5C–E）。结果表明NFAG在宽角度范围内具备优异雷达隐身性能，满足航空航天装备对多姿态隐身的实战需求。

总结与展望

本研究通过分子结构预调控策略，首次实现黑色素类似聚合物在微波波段的高效电磁响应：创新性地引入5-羟基吲哚调控多巴胺聚合过程，抑制氢键交联并强化DHI四聚体的π−π堆叠，成功制备高度有序的PDA纳米纤维；经热解转化为多级皮芯结构碳气凝胶（NFAG），AG旗舰厅其有序微结构构建长程电子传导路径，微孔与异质界面增强极化损耗，致密外壳促进多重反射。性能上，NFAG-900创纪录地实现超高比电磁屏蔽效能（SSE/t = 47,909.9 dB·cm²/g）与强微波吸收（RL_min = −68.87 dB，EAB = 5.25 GHz），突破传统共轭材料阻抗匹配差的瓶颈；RCS仿真证实其可使战机平均雷达散射截面衰减>35 dB，具备军事隐身应用潜力。该工作不仅为轻量化电磁屏蔽材料设计提供新范式，更通过仿生结构预调控策略，为拓展生物启发聚合物在能源耗散领域的应用开辟新途径。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-62367-9

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