在高性能电磁干扰（EMI）屏蔽领域，具备优异屏蔽效应且具有低消耗和良好机械柔韧性的屏蔽材料一直是研究者所迫切需要的。当前，由纳米结构框架材料和微米大小孔洞组成的蜂窝结构由于其低密度、良好的柔韧性、易加工性、化学稳定性和可调节的EMI屏蔽性能，显示出了其有望替代常规金属屏蔽层的巨大潜力。因此，框架材料及其微结构协同作用的设计一直是研究的重点。近年来，一类新型的二维金属碳化物和氮化物，即所谓的MXenes，由于其金属导电性、出色的机械性能和大的比表面积等特性引起了广泛关注。然而，弱的凝胶能力和易团聚的特点限制了其用于组装成低密度气凝胶的应用。因此，基于MXenes设计出具有良好导电性、出色EMI屏蔽性能、低密度特点的复合材料面临着非常大的挑战。
遏制电子元件产生的电磁辐射是电子设备设计者的一个重要考虑因素，但如今的金属基屏蔽材料也有其弊端。瑞士联邦材料科学与技术实验室(EMPA)的科学家们开发出了一种新的基于气凝胶的材料，可以阻挡多种频率，形成了他们所描述的迄今为止世界上最轻的电磁屏蔽材料。
阻挡电子设备中的电磁辐射对维持其性能至关重要，因为如果这些场没有与周围环境隔离，就会影响信号传输或附近电子设备的功能。工程师们经常使用薄金属片来完成这项任务，但这些金属片会增加设备的额外重量，而且不一定能与设计完美结合。
瑞士联邦材料科学与技术实验室Gustav Nyström团队利用超薄纤维素纳米纤维（CNF）来协同构建具有定向仿生细胞壁的超低密度MXenes气凝胶。该研究揭示了定向细胞壁与入射EM波电场方向之间的角度对EMI屏蔽性能有着显著影响，从而提出了新的微结构设计策略。该气凝胶在密度仅为8.0和1.5 mg/cm3时，其EMI屏蔽效果分别可达到74.6或35.5 dB。归一化表面的屏蔽效能高达189400 dB cm2/g，大大超过了迄今为止报道的其他EMI屏蔽材料。该研究以题为“Nanocellulose-MXene Biomimetic Aerogels with Orientation-Tunable Electromagnetic Interference Shielding Performance”的论文发表在《Advanced Science》上。
【气凝胶的制备】
作者通过生物质纤维素纤维的氧化制备了稳定的CNF分散体，然后对其进行研磨以减弱相邻纤维素链之间的氢键。这些CNF的末端带有大量亲水性基团，可以使MXene和CNF水性分散体均匀混合而无需添加其他表面活性剂。亲水性和表面基团的相似性使得CNF在MXene纳米片上的均匀沉积（图1d），从而使前者在气凝胶制造过程中可以作为有效的结构导向剂。图1e显示了制备各向异性蜂窝状MXene/CNF复合气凝胶的单向冰样冷冻干燥方法。在该合成过程中，形成的金字塔状晶体在表面上不包含带有CNF的MXene层，从而形成定向互连的MXene混合细胞壁。该完整细胞壁的组装可以通过CNF中含羟基的基团有效地交联了MXene来解释（图1e，f），最终有助于形成低密度且坚固的复合气凝胶。SEM图像在纵向平面上清晰地观察到了定向的细胞壁以及间隙约为20 µm的单向孔道（图1g）。
【气凝胶性能的调控】
实验结果表明，无论CNF含量如何，复合气凝胶在相邻细胞壁之间的孔隙几乎都相同，并且细胞壁的厚度也相近（图2a），因为孔壁的厚度取决于溶液浓度，而孔道的直径受诱导的温度梯度影响。而调整CNF含量可以有效地调控各向异性复合气凝胶的压缩强度、模量、电性能和EMI屏蔽效应。通过添加33 wt％的CNF，复合气凝胶的压缩模量可达到9.61 kPa（图2d），比纯MXene气凝胶的模量高约≈350％，该结果突出了CNF的临界作用，从而能够制备出超轻而坚固的气凝胶。然而，过多的CNF会不可避免地降低导电性并减少电荷载体软气凝胶的数量，这极大地损害了其EMI屏蔽效果（图2f）。由于CNF和MXene的相互作用使得该气凝胶即使在较低的CNF含量下也能提供高的EMI屏蔽性能，该研究最终选择17 wt％的CNF作为最优含量来制备复合气凝胶。
【气凝胶的EMI屏蔽性能】
超轻型复合气凝胶的主要归因于CNF的结构定向作用。图3a显示，厚度为2mm的纯MXene气凝胶（密度为2.0 mg/cm3）的EMI屏蔽效能达到25.5dB，远低于2mm厚度的MXene/CNF复合气凝胶（35.5 dB），其密度仅1.5 mg/cm3。此外，密度为8.0 mg/cm3的MXene/CNF气凝胶能够表现出74.6 dB的更优异的EMI屏蔽作用。此外，该气凝胶的厚度越大，其EMI屏蔽性能越好（图3c）。厚1mm的MXene/CNF复合气凝胶（密度≈1.5mg/cm3）屏蔽性能为28.4 dB，当厚度增加到3mm时可增加到> 45 dB，对应于入射EM衰减99.99％。如图3d所示，此研究中的气凝胶已经实现了高达189400 dB cm2/g的优异屏蔽性能，远远高于其他屏蔽材料，包括碳基、金属基以及其他MXene基体系。该MXene/CNF复合气凝胶的出色EMI屏蔽性能归因于一维CNF和二维MXene纳米片之间的协同作用，使得实现定向仿生细胞壁成为可能。
EMPA团队一直在研究替代材料，希望能生产出更轻、可塑性更强的解决方案，这让他们找到了来自木材的纤维素纤维。这些纤维素纤维被细化到纳米级大小，并与银纳米线结合在一起，形成了一种轻质多孔的气凝胶，具有“优异的电磁辐射屏蔽效果”，密度仅为每立方厘米1.7毫克。
在纤维素纤维和银纳米线的成分产生屏蔽效果的同时，材料的多孔性也起到了作用。当电磁场遇到孔隙时，会在空隙内反弹，产生二次电磁场，实际上抵消了原有的电磁场。根据该团队的说法，这种综合效应是一种能够阻挡8至12GHz范围内几乎所有辐射的材料。同时，所需的吸收水平可以通过调整材料的孔隙率、银纳米线的数量和厚度来调整。
该团队能够通过将银纳米线换成碳化钛板来进一步减轻重量，碳化钛板的作用就像 “砖头”，而纤维素纤维则是 “砂浆”。该团队称，这种碳化钛纤维素气凝胶组合是“迄今为止世界上最轻的电磁屏蔽材料”。
两篇论文详细介绍了这项研究，分别发表在《ACS Nano》和《Advanced Science》上。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b07452
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000979
总结：
作者利用MXene的内在特性、结构以及CNF和MXene纳米片之间的相互作用，制备出了超低密度和高柔韧性的MXene/CNF复合气凝胶。该气凝胶通过仿生策略，由取向的、完整的细胞壁构成。其优异的EMI屏蔽效果取决于取向的细胞壁与表面之间的夹角。这种超轻型气凝胶表现出的屏蔽性能远远超过了在其他文献中报道的EMI屏蔽材料，使得具有极高EMI屏蔽效率的MXene/CNF复合材料在电子器件中的进一步应用成为可能。
