《Nature Communications》：Regular-wrinkling tunable MXene lattice for electromagnetic interference shielding
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本文报道了一种受水果表皮自然褶皱启发的自褶皱策略，通过聚合物脱水均匀收缩制备出具有规则晶格结构的MXene薄膜。该研究解决了超薄电磁干扰屏蔽薄膜在厚度减至微纳米尺度时屏蔽效能急剧下降的难题。研究人员通过调控褶皱振幅（0.8-6μm）实现了额外的电磁波表面散射和导电通路增强，所获17μm厚薄膜的电磁干扰屏蔽效能高达81.5dB，且在极端环境下仍保持优异性能。这项工作为开发高性能超薄电磁屏蔽材料提供了新思路。
随着消费电子、可穿戴设备和先进通信系统中电子元器件的持续小型化和集成化，对超薄电磁干扰屏蔽薄膜的需求日益迫切。传统笨重的屏蔽材料已无法适应紧凑的设备架构，而超薄屏蔽膜能在不显著增加设备体积或重量的前提下有效隔离电磁干扰，确保高频高速信号传输的完整性。更值得关注的是，这类材料在航空航天和极地研究等极端环境中的应用，要求其具备高效电磁干扰屏蔽性能和恶劣条件下的可靠运作能力。
MXene作为一种由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物组成的二维层状材料，以其优异的固有导电性和丰富的表面化学特性，成为构建高性能电磁干扰屏蔽材料的理想候选者。然而当将MXene加工成宏观薄膜时，其屏蔽机制会退化为单一的表面镜面反射主导模式。虽然通过真空退火或离子交联等方法可以减少层间距以提升屏蔽性能，但这种依赖单一导电性增强机制的改进仍然有限。另一方面，引入磁性或介电组分虽可通过磁损耗或界面极化增强吸收，但往往以增加材料厚度为代价。因此，在不增加MXene厚度的情况下实现屏蔽性能的进一步提升仍面临挑战。
受自然界中层次结构生物体规则褶皱的启发，研究人员提出了一种均质应变策略，通过聚合物脱水均匀收缩实现自褶皱诱导的晶格结构MXene制备。该研究成功制备出褶皱振幅可在0.8至6微米间调控的规则晶格结构，这种结构为电磁波提供了额外的表面散射界面和导电通路，从而显著增强了电磁干扰屏蔽效能。
研究人员采用的主要技术方法包括：通过LiF/HCl溶剂选择性蚀刻Ti3AlC2粉末合成Ti3C2TxMXene薄片；使用刮涂法在聚酰胺酸表面制备MXene涂层；通过梯度升温热处理实现聚酰亚胺转化和MXene晶格结构形成；利用扫描电子显微镜、原子力显微镜等表征材料形貌；采用矢量网络分析仪测试电磁干扰屏蔽性能。
晶格结构MXene的形成与性能
研究团队受水果表皮在空气中脱水起皱自然现象的启发，将浓缩的MXene溶液负载于聚合物表面。经过溶剂挥发和热收缩过程，MXene涂层在聚酰亚胺表面形成准规则褶皱结构。图1C的截面扫描电镜图像清晰显示MXene均匀覆盖整个聚酰亚胺表面并呈现明显褶皱，俯视扫描电镜图像进一步证实MXene在聚酰亚胺表面形成了规则晶格结构（图1D）。原子力显微镜成像揭示了MXene在聚酰亚胺表面的三维晶格结构特征（图1E）。
晶格结构MXene的电磁干扰屏蔽机制与性能
电导率是评估MXene电磁干扰屏蔽性能的关键参数。在相同制备条件下，晶格结构MXene的电导率达到3500 S/cm，明显高于平坦MXene的2500 S/cm。在X波段（8.2-12.4 GHz）的测试中，晶格结构MXene的平均总屏蔽效能为50.4 dB，显著高于平坦MXene的38.6 dB。与平坦MXene相比，晶格结构MXene的反射损耗和吸收损耗分别增加了10.3 dB和1.7 dB。
这种增强源于两个机制：一方面，晶格结构引入的额外导电通路提高了电导率，从而增强了反射损耗；另一方面，表面结构促进了电磁波的漫反射，增加了吸收损耗。模拟计算表明，晶格结构表面在外加电场下呈现非均匀电场分布，在晶格处产生更高的功率损耗密度（图2F）。对y-z平面电场方向的模拟显示（图2G），隆起晶格处的电场方向发生变化，表明表面隆起结构有助于增强漫反射电磁波散射，同时影响表面电场分布。
机械性能与极端环境耐久性
MXene/聚酰亚胺复合薄膜的拉伸强度达到141±10 MPa，是真空过滤MXene薄膜的47倍；拉伸应变达到13±1%，是后者的4.6倍。在单向拉伸测试中，晶格结构MXene涂层在8%拉伸率下仍保持无裂纹状态，当拉伸率达到11%时，裂纹仅出现在晶格连接点处，而不会延伸至整个MXene层，因此对电磁干扰屏蔽性能影响甚微。
该薄膜在超声波处理、高温（300°C）、低温（-196°C）、酸性溶液（pH=1）中处理24小时，以及经历30次温差达496°C的循环热冲击后，在X波段仍保持75 dB以上的屏蔽效能。在湿热环境（40°C，60-80%湿度）下放置数月，晶格结构MXene的屏蔽效能也未显著下降，显示出优异的长期稳定性。
焦耳加热与除冰特性
得益于耐高温聚合物基底和MXene与聚酰亚胺间的强界面相互作用，MXene/聚酰亚胺薄膜在1至7 V的外加电压下表现出可控的焦耳加热性能。红外热成像显示，薄膜表面温度在10秒内迅速升高，并在外部电压下保持稳定，温度范围从34.7至397.0°C。与真空过滤MXene薄膜（34.9°）和平坦MXene（50.6°）相比，晶格结构MXene表现出更大的水接触角（125°），这归因于其独特的晶格图案结构和热处理去除表面极性基团的共同作用。
在极寒潮湿环境中，晶格结构MXene的结冰时间明显长于平坦表面材料，表明其表面在寒冷环境中更不易结冰。一旦在薄膜上形成冰，通过快速焦耳加热即可融化。实验显示，在20度斜坡上施加3 V低电压，冰块可在40秒内融化并滑落，证明晶格结构MXene具有低冰附着力和高效除冰能力。
研究结论与意义
这项工作报道了一种通过聚合物脱水收缩获得的自褶皱诱导晶格结构MXene。该结构提供了散射界面和更多导电通路，从而增强了电磁波损耗。晶格结构使褶皱MXene在17微米厚度下实现高达81.5 dB的电磁干扰屏蔽效能。得益于独特的晶格结构，MXene在承受机械拉伸、超声波处理、高低温、酸性溶液和湿热环境后，仍保持75 dB以上的屏蔽效能。此外，MXene/聚酰亚胺薄膜还表现出疏水性和快速焦耳热除冰特性。这项研究为无机材料的自发图案化提供了一种有前景的方法，在多种恶劣环境或苛刻操作条件下的电磁干扰屏蔽应用中展现出巨大潜力。
该研究的创新之处在于通过仿生设计实现了MXene材料的微纳结构调控，解决了超薄电磁屏蔽材料性能衰减的行业难题，为下一代电子设备的电磁兼容性设计提供了新材料解决方案。论文中报道的晶格结构MXene薄膜综合性能优越，特别是在极端环境下的稳定性表现突出，为航空航天、国防和极地勘探等特殊领域的应用奠定了基础。
