《Journal of Materials Science & Technology》：Engineering MXenes for electromagnetic technologies: From materials design to device integration
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摘要
随着电磁（EM）环境复杂性的增加，对高性能电磁干扰屏蔽和电磁波吸收材料的需求也随之增强。MXenes（二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物）作为一种重要的材料平台，已成为调节电磁响应和构建功能性电磁器件的关键。本文首先讨论了通过成分和微观结构工程来调控MXenes固
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摘要
随着电磁（EM）环境复杂性的增加，对高性能电磁干扰屏蔽和电磁波吸收材料的需求也随之增强。MXenes（二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物）作为一种重要的材料平台，已成为调节电磁响应和构建功能性电磁器件的关键。本文首先讨论了通过成分和微观结构工程来调控MXenes固有电磁特性的方法，接着探讨了复合架构和多尺度组装对电磁行为和器件性能的影响。随后总结了基于MXenes的功能性电磁器件的最新进展。最后，指出了将MXenes从材料层面的性能优化推进到实际器件应用的关键挑战和未来发展方向。
引言
第五代（5G）通信技术的扩展、向第六代（6G）网络的持续发展以及物联网应用的普及，导致了设备密度的增加和运行频率范围的扩大，从而加剧了对设备间电磁干扰（EMI）以及电磁辐射对人体潜在健康影响的担忧[[1], [2], [3]]。雷达技术的进步也提高了军事平台对隐身性能的要求[4,5]，从而持续推动了EMI屏蔽材料和电磁波（EMW）吸收剂的需求[6,7]。MXenes结合了高电导率、广阔的组成空间、结构可调性以及与其它成分的兼容性[10]，这些特性使其成为广泛研究的电磁功能材料[11]。
MXenes的化学性质和结构可以在多个层面上进行工程设计（图1(a)）。成分工程涉及选择M位和X位元素并构建多组分或高熵结构；缺陷和异质原子工程则引入空位和外来原子。表面终止化学、层间环境以及纳米片形态提供了额外的调控手段。MXene纳米片还可以与其他成分结合使用，例如铁氧体或磁性金属以增强磁损耗特性，或者与聚合物结合以提高机械强度。根据目标应用形态，这些基本构件可以被加工成复合粉末、纤维和纺织品、薄膜、泡沫和凝胶等形式。内在工程可以重新分配电子态，修改载流子传输和局部电荷分布，从而调控导电性和极化；多尺度组装则控制EMW的耦合和传播。这些过程共同决定了电磁能量的衰减程度[12]。EMI屏蔽可以抑制传输功率，而EMW吸收则减少表面反射，使更多入射能量被材料内部吸收（图1(b)）。因此，成分和结构可以针对特定功能进行定制。
材料加工和电磁性能优化的进步促使MXenes研究向器件集成和多功能系统方向发展（图1(c)）。据此，本文采用“结构工程-电磁响应-功能器件”作为讨论框架，探讨了内在工程和复合组装如何调控电磁响应，实现保护、隐身、频率选择性控制、无线通信以及可穿戴人机交互等功能。相反，具体的应用需求和操作条件也为结构设计提供了方向。本文最后指出了将材料层面的性能转化为实际器件所面临的挑战和机遇。
章节摘录
MXenes的结构与电磁基础
MXenes是一类二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，其通用化学式为Mn+1XnTx，其中M表示一种或多种过渡金属，X代表C和/或N，Tx表示与最外层金属原子相连的表面终止基团。它们的层状结构源自Mn+1AXn MAX相，其中强M-X键稳定了边缘共享的M6X八面体，而较弱的M-A相互作用则允许选择性去除A层[13]。M位点能够容纳...
MXenes的内在结构工程
MXenes的成分和结构灵活性使得可以精确控制元素组成、表面终止基团、层间环境及纳米片形态。这些因素决定了载流子密度、电荷传输和局部电荷分布，从而调控电磁响应。因此，内在结构工程是优化MXenes电磁特性的关键途径。
基于MXenes的复合架构与多尺度组装
除了内在结构工程外，将MXenes与其他功能成分结合使用可以进一步调节电磁响应。由此产生的异质界面、重构的导电网络和协同损耗机制能够共同调控EMW的传输和耗散，同时改善阻抗匹配。界面交联还能提高机械强度、电导率和热传导性能，如在MXene纤维中得到验证[38]。
基于MXenes的电磁功能器件
前文介绍了内在结构工程和复合组装如何调控MXenes的电磁响应。要将这些材料特性转化为实际器件，需要协调设计材料性能、器件结构和操作条件。本节重点探讨基于MXenes的电磁防护、雷达/红外隐身与吸波/热管理、可重构和频率选择性器件以及无线通信等方面。
总结：挑战与未来方向
结构工程显著拓展了MXenes的电磁响应范围，并实现了更加集成化的器件功能。然而，进一步的转化不仅受到材料性能的限制，还受到设计空间探索效率低下、长期可靠性不足、制造重复性有限以及缺乏真正自适应器件操作机制的制约。要解决这些问题，需要更紧密结合数据驱动的设计方法。
CRediT作者贡献声明
韩冠宇：撰写与编辑、原始稿撰写、方法论设计、数据整理。张涵：数据验证、实验设计。方欣宇：数据整理。严璐：数据验证、实验设计。张月：数据验证、实验设计。杨玉萌：数据验证、实验设计。崔振龙：数据验证、实验设计。齐星星：项目监督、实验设计。刘晓芳：撰写与编辑、项目监督、方法论设计、资金管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号52371171和52222106）、国家重点研发计划（编号2021YBF3501304）以及中央高校基本科研业务费的支持。同时，也得到了JITRI材料科学院的协助。作者感谢北航大学分析与测试中心提供的设施和科学技术支持。
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