通过凹面磁场调制技术制备生物衍生的气溶胶颗粒，用于可部署的多频段电磁衰减应用

《CARBON》：Bio-derived aerosol particle via concave magnetic modulation for deployable multiband electromagnetic attenuation

　　吴文浩|孟矾豪|顾幽琳|郑汉|马瑞龙|易正|史静远|胡一华
脉冲功率激光技术国家重点实验室，国防科技大学，合肥，230037，中国

**摘要**
为了应对现代多波段侦察系统，需要宽带电磁衰减来掩盖大面积目标。现有的策略虽然能够提供高衰减效果，但依赖于固定基础设施，或者缺乏快速、大范围的部署能力。在这项研究中，我们开发了一种生物衍生的功能性孢子（BFS）气溶胶颗粒，这种颗粒结合了宽带电磁衰减和可在野外快速部署的特性。将天然孢子浸渍铁乙酰丙酮酸后，通过可控的原位热解过程转化为碗形共振腔体，并在其表面均匀覆盖Fe3O4、Fe3C和α-Fe纳米颗粒，形成凹面磁性生物碳颗粒。优化后的BFS-2气溶胶颗粒在可见光/红外波段具有0.8%–1.6%的透射率；在6.96 GHz频段内实现最小微波反射损耗为-40.56 dB的有效吸收带宽；在X/Ku波段的厘米波频率下具有-10.2 dB的衰减效果；在Ka/W波段的毫米波频率下具有-9.8 dB的衰减效果。通过侦察对抗模拟和雷达截面计算进一步证明，当BFS气溶胶用作表面涂层时，能够在实际流动环境中提供有效的大面积屏蔽效果，并降低雷达探测特征。这些结果表明，BFS气溶胶是一个可扩展的单一平台，适用于下一代多波段电磁对抗措施。

**引言**
当代多波段侦察系统能够在可见光、红外、毫米波和厘米波等多个频段同时进行侦察[1]–[6]。这种技术发展要求采用能够实现宽带电磁衰减（BEA）的光电对抗系统，而不是传统的单波段解决方案[7]–[10]。现有的BEA方法主要集中在固态材料上，如气凝胶[11]–[13]、超表面[11]–[16]和光子晶体[17]–[19]。例如，赵等人开发的石墨烯气凝胶可用于集成热电调节[20]；黄等人设计的自适应VIS-IR伪装装置适用于极端温度下的单个战士[21]；凤等人研制的散热超表面可用于紧凑型多光谱光学设备[22]；纪等人发明的多尺度跨波段防御材料可用于可见光/红外伪装和电磁屏蔽[23]。曹等人还指出，多尺度界面和晶格畸变工程可以同时增强电磁屏蔽效果[24]–[27]，但这些材料需要在预先设置的基础设施上进行安装，限制了它们在需要快速、大范围部署和适应不同地形的场合中的应用。而基于气溶胶的对抗措施则通过快速覆盖大面积和独立于基础设施的操作方式，提供了更高的灵活性。要实现有效的宽带性能，需要同时满足多光谱要求：雷达对抗措施需要平衡反射抑制和吸收[28]–[29]；红外系统需要自适应的热管理[30]；可见光隐蔽则需要精确的光学匹配[19]。目前的气溶胶技术通常采用多种颗粒混合物[31]–[32]，如混合有磷基遮蔽剂的干扰箔[33]或由金属粉末和有机氯化物组成的HC烟雾剂[34]，但这些多组分系统的分散动力学不一致，难以保持同步的衰减性能。更严重的是，这些技术对人员健康和环境安全构成重大隐患[35]–[36]。

生物质衍生材料为电磁波衰减应用提供了可持续的替代方案[37]–[39]。天然前体如丝瓜络[40]、竹子[41]和木材[42]已经显示出良好的电磁波衰减能力。韩等人使用甘蔗衍生碳气凝胶实现了5.68 GHz的吸收带宽[43]；王等人用壳聚糖衍生磁性碳气凝胶实现了7.36 GHz的吸收带宽[44]；纪等人在绿色纤维气凝胶中引入了高熵界面工程以增强电磁波吸收[45]。然而，这些生物质衍生气凝胶存在分散性差和烟雾持续时间短的问题，阻碍了其在大规模动态部署中的应用。我们之前的工作培育出天然具有气溶胶形成能力的孢子[46]–[47]，但原始孢子颗粒的电磁衰减性能有限，主要受到两个根本性限制：（1）它们的电磁响应较差，导致在所需频段内的吸收效果较弱；（2）其球形结构缺乏有效的电磁波捕获和散射所需的几何特性。在本研究中，我们基于天然孢子开发了生物衍生的功能性孢子（BFS）气溶胶颗粒，通过磁功能化和形态工程改进了孢子的电磁和结构特性。通过浸渍磁性前体并控制原位热解，我们将球形孢子转化为碗形共振腔体，增强了电磁波的限制和散射效果。这种双重功能策略使得BFS颗粒在可见光到微波波段均表现出协同的多波段衰减机制，包括0.8%–1.6%的可见光/红外透射率、高达40.56 dB的微波反射损耗以及-9.8 dB的毫米波衰减，同时保持了动态电磁对抗所需的高分散性。

**材料**
生物孢子由中国科学院离子束生物工程重点实验室提供。孢子的制备遵循实验室的标准流程，包括菌株活化、斜面培养、大规模发酵罐培养、提取、过滤、干燥、筛分和收集。三价铁2,4-戊二酸盐（Fe(acac)3，纯度98%）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF，纯度99%）购自Sigma-Aldrich公司。

**实验程序**
首先对生物孢子进行筛分，以获得均匀的形态和化学成分。

**图2a、b和S1**分别展示了前体孢子和BFS-2颗粒的扫描电子显微镜（SEM）图像。前体孢子为微米级的球形颗粒，表面有褶皱，具有径向折叠结构，以及一个发芽孔（在图2a中用蓝色虚线圆标出）。经过Fe(acac)3浸渍和在N2环境下1200°C的热解处理后，BFS颗粒保持了原有的球形形态，但结构发生了显著变化：形成了碗状凹腔（同样用蓝色虚线圆标出）。

**结论**
我们基于天然孢子开发了生物质衍生的BFS气溶胶颗粒，用于提供可部署的多波段电磁对抗措施。通过可控的Fe(acac)3浸渍和原位热解处理，得到的碗形碳微球表面均匀覆盖着Fe3O4、Fe3C和α-Fe纳米颗粒，兼具高疏水性和稳定的气溶胶分散性。优化后的配方在可见光/红外波段具有0.8%–1.6%的透射率，在微波波段的最小反射损耗为-40.56 dB。

**作者贡献声明**
吴文浩：写作 - 审稿与编辑、原始稿撰写、可视化处理、软件开发、方法学设计、概念构思。孟矾豪：写作 - 审稿与编辑、资金获取。顾幽琳：写作 - 审稿与编辑、资金获取。郑汉：写作 - 审稿与编辑。马瑞龙：写作 - 审稿与编辑、验证工作、方法学设计。易正：写作 - 审稿与编辑、方法学设计、概念构思。史静远：方法学研究。胡一华：项目监督、资金获取。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突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（项目编号62075241、42405117）和安徽省先进激光技术实验室（项目编号20191003）的支持。