随着电子设备不断微型化与集成化，超薄电磁干扰屏蔽膜的需求日益迫切。然而，薄膜厚度降至微纳米级别时，其屏蔽性能往往因反射减弱而大幅下降，如何在亚微米厚度下实现高效电磁屏蔽，成为当前材料科学面临的关键挑战。
近日，北京航空航天大学王广胜教授、刘明杰教授、刘利民教授合作，研究提出了一种受水果表皮自然褶皱启发的均匀应变策略，通过聚合物脱水收缩诱导MXene形成自褶皱晶格结构。该薄膜在厚度仅为17微米时，电磁干扰屏蔽效能高达81.5分贝，并在多种严苛环境下保持优异稳定性，为超薄屏蔽材料的开发提供了新思路。相关论文以“Regular-wrinkling tunable MXene lattice for electromagnetic interference shielding”为题，发表在Nature Communications上。
研究团队从水果表皮在脱水过程中形成均匀褶皱的自然现象中获得灵感，将高浓度MXene溶液涂覆于聚酰胺酸表面，通过溶剂挥发与热处理诱导聚合物均匀收缩，成功在聚酰亚胺基底上构建出规整的MXene褶皱晶格结构。扫描电镜图像显示，MXene层完整覆盖基底并形成清晰起伏的纹路，其褶皱振幅可通过调节聚合物与MXene厚度在0.8至6微米之间精确调控。原子力显微镜进一步揭示了该结构的三维形貌，呈现出均匀且周期性的褶皱排列。
图1 | 晶格结构MXene的形成过程与表征 （A）水果表皮在自然界中脱水形成褶皱。（B）晶格MXene的制备示意图。（C）MXene在聚酰亚胺表面截面的扫描电镜图像。（D）不同放大倍数下晶格MXene的扫描电镜图像。（E）晶格MXene的三维原子力显微镜图像。（F）晶格结构MXene与近期报道的其他电磁屏蔽材料性能对比，红星代表本研究制备的样品。
在电磁屏蔽性能方面，晶格结构MXene表现出显著优势。与平整MXene薄膜相比，其电导率从2500 S/cm提升至3500 S/cm，X波段平均屏蔽效能从38.6 dB提高至50.4 dB。研究指出，褶皱结构不仅增加了表面散射和漫反射，还提供了额外的导电通路，从而协同提升屏蔽效能。在极宽带GHz频段内，该材料均保持50 dB以上的高效屏蔽，且厚度仅为2.8微米时即可达到50.4 dB的屏蔽效能，优于多数已报道的同类材料。
图2 | 晶格结构MXene的电磁屏蔽性能与机理 （A）平整MXene与晶格MXene在X波段的平均总屏蔽效能、吸收损耗与反射损耗对比。（B）晶格MXene的屏蔽效能与其截面扫描电镜图像。（C）晶格MXene在Ku、K、Ka波段的屏蔽效能。（D）不同MXene薄膜的屏蔽效能对比。（E）不同厚度晶格MXene在X波段的屏蔽效能。（F）有限元模拟的电流密度分布图。（G）10 GHz下晶格结构薄膜的电场方向分布。（H）晶格结构MXene薄膜的电磁屏蔽机理示意图，其中蓝色箭头表示入射电磁波，黄色箭头表示多重散射，橙色箭头表示表面反射电磁波。
除了优异的电磁屏蔽性能，该薄膜还展现出卓越的机械强度与环境稳定性。其拉伸强度达141 MPa，是纯MXene薄膜的47倍，且在经历拉伸、弯曲、超声处理、高低温交替、酸性环境等严苛测试后，屏蔽效能仍保持在75 dB以上。此外，褶皱结构赋予材料疏水性，水接触角达125°，并具备快速焦耳热除冰能力，在3伏低电压下即可实现冰层快速融化与脱落。
图3 | MXene/聚酰亚胺薄膜在严苛测试后的力学性能与耐久性 （A）MXene/聚酰亚胺薄膜与其他MXene基电磁屏蔽材料的性能对比。（B）MXene/聚酰亚胺薄膜在拉伸后的电导率与屏蔽效能。（C）薄膜在初始状态、8%应变与11%应变下的扫描电镜图像，虚线圆圈标示拉伸后交叉晶格区域出现的裂纹。（D）晶格MXene、平整MXene与纯MXene薄膜在180°弯曲后的电阻变化。（E）超声清洗前后屏蔽效能对比。（F）在300°C、-196°C、pH=1及热冲击处理后的屏蔽效能。（G）晶格MXene、平整MXene与纯MXene薄膜的抗氧化性能对比。
图4 | MXene/聚酰亚胺薄膜的焦耳热与除冰性能 （A）不同驱动电压下薄膜在10秒内的红外热成像图。（B）不同电压下的温度-时间曲线。（C）本研究薄膜与文献中报道的具焦耳热性能屏蔽材料的电压-温度对比。（D）纯MXene、平整MXene与晶格MXene薄膜的水接触角。（E）结冰实验示意图。（F）三类薄膜的结冰时间对比。（G）在3伏电压下，冰块在倾斜20°的薄膜表面融化并滑落的过程照片。
该研究通过仿生褶皱策略，成功制备出具有高屏蔽效能、强环境适应性与多功能特性的MXene基复合薄膜，不仅推动了超薄电磁屏蔽材料的发展，也为面向极端环境应用的柔性电子器件提供了可靠的保护方案。