仿生豆荚结构CoFe@Void@NC@CNFs涂层：面向严苛海洋环境的舰艇隐身与腐蚀-微生物协同防护新策略

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Self-defensive pod-like CoFe@Void@NC@CNFs coatings for naval stealth and corrosion-microbial resistance in harsh marine environments

本刊推荐：为解决海洋环境中微波吸收材料(MAMs)性能衰减问题，研究人员通过静电纺丝和MOF衍生策略构建了核壳结构CoFe@Void@NC@CNFs仿生豆荚纳米复合材料。该材料展现出8.00 GHz有效吸收带宽、-55.77 dB最小反射损耗和-64.94 dB·m2雷达散射截面，同时具备光-热-电能量循环功能和三级防御体系（抗菌率>90%，腐蚀电流密度显著降低），为舰艇隐身涂层技术提供了性能-耐久性一体化解决方案。

　　

在无线技术飞速发展的今天，电磁污染已成为威胁信息安全、军事隐身和人类健康的隐形杀手。特别是海军装备的隐身涂层，不仅要面对电磁波的探测，还要经受严酷海洋环境的考验——氯离子渗透导致金属氧化、导电网络破坏、微生物附着形成生物膜等问题，常常使传统微波吸收材料(MAMs)在服役过程中出现灾难性的性能衰减。这背后的根源在于材料的单功能设计范式： dielectric（介电）材料如石墨烯气凝胶主要依赖偶极极化和导电损耗，magnetic（磁性）材料如铁钴氧化物依赖磁损耗，但都难以在复杂海洋环境中保持稳定性能。

针对这一挑战，贵州大学齐小四研究员团队在《Advanced Composites and Hybrid Materials》发表了一项突破性研究，他们受自然界豆荚结构的启发，巧妙设计了具有三级防御功能的仿生涂层材料。这种名为CoFe@Void@NC@CNFs的pod-like nanocomposites（PLNCs，豆荚状纳米复合材料）不仅解决了传统材料性能不可兼得的矛盾，更实现了"攻防一体"的智能防护体系。

研究人员采用三步法构建这一特殊材料：首先通过共沉淀法大规模制备立方体CoFe PBAs（普鲁士蓝类似物）；然后利用静电纺丝技术将CoFe PBAs与PAN（聚丙烯腈）混合溶液纺丝形成豆荚状前驱体；最后在氩气氛围中进行高温热处理，使CoFe PBAs转化为CoFe@Void@NC核壳结构，PAN转化为carbon nanofibers（CNFs，碳纳米纤维）。通过精确调控热解温度（700-1100℃）和CoFe PBAs含量（0.35-0.75 g），成功制备了九种不同性能的CVNC系列材料。

3.1 微观结构调控与电磁性能优化

研究显示，随着热解温度从700℃升至900℃，材料的石墨化程度显著提高（I_D/I_G从1.15降至1.06），电导率从0.0001815 S/mm提升至0.084 S/mm。这种结构变化直接带来了电磁参数的优化：CVNC-3的复介电常数实部（ε'）达到15.93-10.12，虚部（ε''）为5.99-1.68，显著优于CVNC-1和CVNC-2。

3.2 磁-电协同实现一级电磁防御

通过调控CoFe PBAs含量，研究人员成功优化了材料的impedance matching（阻抗匹配）特性。CVNC-7在保持良好介电性能的同时，复磁导率显著提升，这主要归因于材料中增加的CoFe@Void@NC磁性纳米立方体。该材料展现出卓越的microwave absorption performance（MAP，微波吸收性能）：最小反射损耗（RL_min）达-50.47 dB，effective absorption bandwidth（EAB，有效吸收带宽）为8.00 GHz，覆盖C、X、Ku多个波段。

更引人注目的是其能量循环功能：研究人员构建了solar-thermoelectric generation（STEG，太阳能-热电发电）系统，CVNC-7在300-1100 nm波长范围内表现出优异的广谱光捕获能力，开路电压（V_oc）达556 mV，短路电流（I_sc）为94.9 mA，实现了电磁波能量向电能的转化。radar cross section（RCS，雷达散射截面）模拟显示，CVNC-7涂层使反射信号最大衰减达-64.94 dB·m2，显著优于已报道的Carbon/SiO₂@CNTs等材料。

3.3 二级微生物防御体系

材料展现出剂量依赖性的抗菌效果，CVNC-7对大肠杆菌的抗菌率高达90.97%。机理研究表明，这主要归因于CoFe纳米颗粒诱导的Fenton-like reaction（类芬顿反应）产生活性氧物种（ROS），以及材料特定表面面积对细菌的捕获能力。经过30天长期共培养后，材料仍保持90%的抗菌率，且微波吸收性能基本不变（RL_min = -80.32 dB，EAB = 6.8 GHz），证明了其长期稳定性。

3.4 三级腐蚀防护屏障

材料在pH=1-14范围内均表现出超90°的water contact angle（WCA，水接触角），CVNC-7的WCA最高，显示出优异的疏水性。电化学测试表明，CVNC-7具有最正的腐蚀电位（E_corr）和最低的腐蚀电流（I_corr），log|Z|_{0.01 Hz}值最大，表明其最佳的抗腐蚀性能。经过7天模拟海水浸泡和细菌腐蚀后，材料仍保持89.65%的抗菌率和优异的微波吸收性能（RL_min = -87.23 dB）。

这项研究通过巧妙的仿生设计，成功构建了具有三级防御功能的智能涂层材料。其创新之处在于：一是创造了独特的豆荚状核壳结构，实现了磁-电组分的协同整合；二是建立了包括电磁吸收、抗菌防腐在内的多级防御体系；三是实现了光-热-电能量的循环利用。这种性能-耐久性一体化的设计理念，为解决海洋环境中的材料失效问题提供了新思路，在军事隐身、海洋工程等领域具有广阔的应用前景。特别是在当前海洋战略重要性日益凸显的背景下，该研究为开发适应复杂海洋环境的新型功能材料提供了重要技术支撑。

研究还展示了metamaterial（超材料）设计的巨大潜力：通过构建三层截角金字塔结构，实现了32.76 GHz的超宽带吸收，几乎覆盖整个测试频段（7.24-40 GHz）。这种结构设计不仅优化了阻抗匹配，还通过电场分布和功率损耗密度的空间调控，实现了电磁波的高效衰减。