超重力场作用下的异质取向纳米复合水凝胶—“以少胜多”的电磁屏蔽性能
纳米复合水凝胶具有丰富的结构调控和功能可设计性，能完美集成纳米材料和水凝胶各自的独特功能为一体，在能源、电子、生物医学和环境科学等领域极具吸引力。具有取向结构的二维纳米片复合水凝胶尤为重要，其中的纳米片能利用其取向结构强化物质的传递与交互，从而展现出优于无序纳米复合水凝胶的力学/光学/磁学/电学性能。此类取向纳米复合水凝胶的构筑主要基于外场驱动纳米片在聚合物溶液中的组装，涉及电场、磁场、剪切力、机械力和常重力等的利用，也需要对纳米片材料进行特定物理化学性质的强化。另一方面，如何简化制备过程同时提高纳米片在纳米复合水凝胶中的取向度，依然是一个需要解决的问题。需要发展一种通用策略，能够操控各种纳米片在聚合物中的分布与取向，从而解决取向纳米复合水凝胶的制备难题。
浙江大学徐志康教授/张超研究员团队与吕朝锋教授团队合作，提出了一种简易且通用的超重力驱动纳米片可控组装与堆叠的策略，制备了具有高度定向和异质结构的纳米复合水凝胶，打破了传统力场只适用于特定纳米片的限制。不同于传统力场，超重力包含耦合的正交剪切和离心力场，具有双向和力可调的属性，因此能够驱动纳米片在聚合物溶液中高效运动、组装和堆叠。这种协同效应可以制备具有高取向富含纳米片层和富含聚合物层的异质纳米复合水凝胶，并且适用于任意性质的纳米片材料，包括MXene、MoS2、GO和 C3N4等。有趣的是，取向异质MXene纳米复合水凝胶展现出非凡的电磁干扰屏蔽效能，在MXene含量只有0.3 wt%的情况下，在12.4 GHz波段下电磁干扰屏蔽效能高达 55.2 dB，超越了大多数基于水凝胶的电磁屏蔽材料。进一步结合对照实验和有限元计算模拟，表明这种“以少胜多”的电磁干扰屏蔽效能主要源于MXene纳米复合水凝胶的异质取向结构，此类结构赋予纳米复合水凝胶具有独特的“吸收-反射-再吸收”机制，最大限度地吸收入射电磁波同时减少了电磁波的反射。
图1. 超重力导向纳米复合水凝胶的设计理念与制备方式。
图2. 超重力导向法制备取向纳米复合水凝胶的微观机理。
图3. 取向异质MXene纳米复合水凝胶的电磁屏蔽性能与机理。
相关工作以“Supergravity‐Steered Generic Manufacturing of Nanosheets‐Embedded Nanocomposite Hydrogel with Highly Oriented, Heterogeneous Architecture”为题发表在Advanced Materials上(https://doi.org/10.1002/adma.202400075)。论文的第一作者为博士研究生徐广昌和博士后聂亦涵，张超研究员、吕朝锋教授和徐志康教授为共同通讯作者。该项工作得到了浙江省自然科学基金重大项目、国家自然科学基金重点项目和面上项目以及国家重点研发计划的资助。