多层交替结构藻酸盐水凝胶：兼具卓越柔性与电磁屏蔽性能的创新材料

针对柔性电子设备对兼具高柔性和优异吸波性能的电磁屏蔽材料(EMI)的迫切需求，研究人员通过碳纳米管(CNTs)与钴纳米颗粒(Co)的协同效应，设计出多层交替结构的藻酸盐(SA)水凝胶。该材料通过"吸收-反射-再吸收"机制实现41 dB的电磁屏蔽效能(SE)，且吸收损耗占比(SEA /SET )>85%，同时展现出色机械性能，为可穿戴设备和军事应用提供新思路。

　　

随着5G通信和电子技术的迅猛发展，电磁波干扰(EMI)已成为威胁人类健康和电子设备功能的隐形杀手。传统金属屏蔽材料虽具有一定效果，却存在柔韧性差、二次反射污染严重等瓶颈问题。尤其对于电子皮肤、柔性传感器等新兴设备，亟需开发兼具"可弯曲"与"高吸收"特性的新型屏蔽材料。在这一背景下，藻酸盐(SA)水凝胶因其三维多孔结构和优异的机械性能进入研究视野，但纯水凝胶的电磁屏蔽效能(SE)远不能满足实际需求。

为解决这一难题，研究人员创新性地将碳纳米管(CNTs)与钴纳米颗粒(Co)复合，通过冻干法制备出多层交替结构的Co-CNT/SA水凝胶。该材料在750℃热处理条件下，CNTs表面形成的CN键实现氮(N)掺杂，同时NH₃
还原气氛促使Co²⁺
转化为金属Co纳米颗粒。这种特殊结构赋予水凝胶12.5 S/m的高电导率，并通过氢键网络增强机械性能——厚度仅0.7 mm的薄膜即可轻松承载200 g重量。

研究采用矢量网络分析仪测试电磁参数，通过传输线理论计算屏蔽效能。多层结构设计使电磁波在异质界面间经历多次反射散射，形成独特的"吸收-反射-再吸收"损耗机制。当Co-CNT层作为入射面时，材料展现出41 dB的SE值，意味着可衰减99.8%的电磁波，且吸收损耗占比(SE_A
/SE_T
)突破85%，显著优于多数同类材料。这种优异的性能源于Co纳米颗粒优化的阻抗匹配特性，使更多电磁波能进入材料内部，同时CNTs与Co的协同效应实现了介电损耗与磁损耗的平衡。

结构表征
X射线衍射(XRD)证实Co纳米颗粒的成功负载，扫描电镜(SEM)显示CNTs在SA基质中的均匀分布。

电磁性能
多层结构使电磁波传输路径延长3.2倍，异质界面极化损耗贡献率达62%。

机械测试
拉伸实验表明材料的断裂伸长率达215%，弹性模量与天然软骨组织相当。

这项研究的意义在于：首次将"阻抗匹配设计"理念引入水凝胶电磁屏蔽领域，通过多层交替结构实现损耗机制的协同优化。相比传统单层复合材料，该设计使吸收主导型屏蔽性能提升136%，同时保持优异的柔韧性。这种材料在智能可穿戴设备、军事隐身技术等领域展现出广阔应用前景，为开发"轻、薄、柔"的新一代电磁防护材料提供了范式转变。

值得注意的是，研究团队特别强调该材料的环保特性——藻酸盐基体可生物降解，钴元素以稳定纳米形态存在，大幅降低了传统屏蔽材料的二次污染风险。未来通过调控层间厚度比和填料浓度，有望进一步优化其在特定频段的屏蔽性能，这为后续研究指明了方向。