"仿生有序结构黑色素纳米纤维实现超高比电磁屏蔽效率：π-π堆叠调控新策略"

针对轻质高性能电磁屏蔽材料的结构设计难题，Peng Chen团队通过调控5,6-二羟基吲哚(DHI)四聚体的π-π堆叠，创新构建了有序黑色素样纳米纤维。该材料经冷冻干燥和热解处理后形成的NFAG-900气凝胶在X波段达到47909.9 dB·cm2/g的比屏蔽效率(SSE/t)，反射损耗(RL)达-68.87 dB，有效吸收带宽(EAB)5.25 GHz，首次将黑色素类聚合物应用拓展至微波频谱，为电磁防护材料开发提供新思路。

　　

在航空航天和军事装备对隐蔽性要求日益提升的背景下，传统金属基电磁屏蔽材料面临重量大、加工难等瓶颈，而碳纳米管等无机材料又存在相容性差的问题。现有材料难以兼顾轻量化与高性能，特别是生物源材料在微波波段的响应机制尚未突破。这一领域亟需通过分子结构创新开发兼具优异电磁特性和可加工性的新型材料。

四川大学的研究团队从自然界黑色素的能量耗散特性获得灵感，针对其无序结构无法响应长波能量的缺陷，提出通过分子预调控策略构建有序微结构。研究人员创新性地采用吲哚类似物调控聚合过程，成功制备出以DHI四聚体框架为基础、通过π-π堆叠构建的有序黑色素样纳米纤维。经冷冻干燥和600-900°C梯度热解处理后，获得具有多级核壳结构的超轻导电气凝胶(NFAGs)。该成果发表于《Nature Communications》，首次实现黑色素类聚合物在微波波段的高效响应。

研究采用分子动力学模拟(GROMACS)解析自组装机制，通过UPLC-MS和ESI-MS鉴定DHI四聚体结构，结合XRD、拉曼光谱证实有序堆叠特征。电磁参数测试采用同轴法和波导法，雷达散射截面(RCS)通过FEKO软件模拟F-35战机模型评估。

研究结果

Fabrication and characterization of melanin-like nanofibers

通过5-羟基吲哚调控氢键网络，获得黄色纳米纤维而非传统黑色颗粒。HRTEM显示3.4 ?层间距的π-π堆叠，XPS证实N/O元素比为11:10，UPLC-MS分离出DHI环四聚体(M3)。分子模拟揭示四聚体轴向堆积是纤维形成的关键。

Fabrication and characterization of PDA carbon aerogels

热解后纤维形态保持完整，NFAG-900比表面积达885.65 m²/g。拉曼光谱显示I_D/I_G=0.82，FTIR证实共价键减少，XPS显示氧空位增加。

MA of NFAGs

NFAG-900在2.5 mm厚度时取得-68.87 dB最大反射损耗，5.25 GHz有效吸收带宽。Cole-Cole曲线显示低频区界面极化与高频区Debye弛豫的协同效应。

Electromagnetic shielding performances of NFAGs

密度3.11 mg/cm³的样品SSE/t达47909.9 dB·cm²/g，电导率103.47 S/m。SEM显示热解形成的致密外壳与内部核壳结构增强多重反射。

RCS simulation

2.5 mm厚NFAG-900涂层使F-35战机在10.46 GHz频段平均RCS达-35.88 dB，最佳角度达-50.47 dB。

该研究通过分子间作用力精准调控，突破黑色素类材料在微波波段的性能限制。NFAGs的核壳有序结构创造丰富异质界面，其SSE/t值较传统材料提升两个数量级。这种仿生结构预调控策略为拓展生物源材料在电磁防护、隐身技术等领域的应用开辟新途径，特别适用于需要兼顾轻量化与宽频吸收的军事装备场景。研究揭示π-π堆叠作为电磁耗散的适应性结构特征，为新型能量响应材料设计提供重要理论参考。