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太赫兹技术的快速发展需要高性能的电磁干扰（EMI）屏蔽材料来创建安全的电磁环境。尽管在实现卓越的屏蔽效率（SE）方面取得了巨大突破，但传统的屏蔽材料仍具有高反射率，一旦形成就无法进行重新编辑或回收，从而导致有害的二次电磁污染和适应性差。

【科研摘要】

最近，爱尔兰都柏林圣三一学院Ji Liu 和Valeria Nicolosi教授团队通过生物矿化启发的组装路径来制造结合了MXene和聚丙烯酸的水凝胶型屏蔽材料。该复合水凝胶显示出优异的可拉伸性和可回收性，良好的形状适应性和粘合性，以及快速的自修复能力，证明了极大的应用灵活性和可靠性。更有趣的是，由于多孔结构，适度的电导率和内部富水环境的结合，水凝胶的屏蔽性能显示出吸收为主的特征。在极薄的水凝胶（0.13 mm）中，可以同时实现45.3 dB的高EMI SE和有效的吸收带宽（0.2–2.0 THz），以及出色的23.2 dB的反射损失。此外，这种水凝胶表现出敏感的变形响应，并且可用作皮肤上的传感器。这项工作不仅为设计下一代EMI屏蔽材料提供了另一种策略，而且为在宏观尺度上制造MXene复合材料提供了一种高效便捷的方法。相关成果以题为Multifunctional Ti3C2Tx MXene Composite Hydrogels with Strain Sensitivity toward Absorption-Dominated Electromagnetic-Interference Shielding发表在纳米知名期刊《ACS Nano》上。

【图文解析】

1.Ti3C2Tx纳米片及水凝胶的制备

MXene复合水凝胶是通过生物矿化启发的组装过程合成的，如图1a，b所示。首先通过选择性地化学蚀刻Ti3AlC2粉末的Al层，然后进行超声辅助剥离来合成Ti3C2Tx MXene纳米片。通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察了它们的超薄和几何特征。剥落的Ti3C2Tx的X射线衍射（XRD）图在2θ= 6.62°处显示一个尖锐的（002）峰，与在Ti3AlC2（0.91 nm）中观察到的相比，其层间距离增大了1.33 nm，并且 没有检测到Ti3AlC2的衍射峰（图1c）。这些结果证实了Ti3C2Tx纳米片的成功剥离。接着，为了获得MXene复合水凝胶，通常将Ti3C2Tx MXene悬浮液在剧烈搅拌下与PAA和CaCl2混合以形成稳定的混合物。然后，用移液器小心地添加Na2CO3溶液，直到逐渐形成粘性沉淀为止。

图1. MXene复合水凝胶的制备和结构表征。

2. MXene复合水凝胶功能特性

MXene复合水凝胶具有许多有趣的功能。例如，水凝胶是高度可拉伸的和可延展的。如图2a所示，在破裂之前，可以将一块水凝胶重复拉伸成具有超过1500％应变的可拉伸性的纤维状材料。流变行为进一步赋予水凝胶优异的加工性能（图2b，c）。如图2c所示，水凝胶用作挤出印刷的油墨，可以从喷嘴顺畅地挤出以形成复杂的形状，从而为满足苛刻的设计规则和大规模应用提供了诱人的机会。更重要的是，由于其柔软，粘着和可延展的特性，复合水凝胶可以保形地粘附于具有复杂3D几何形状的物体，并且在变形过程中可以保持完好无损，与常规的EMI屏蔽材料（如MXene薄膜）相比，它具有明显的优势。具有出色的屏蔽性能，但对变形的适应性非常有限（图2d–f）。

图2.照片显示了MXene复合水凝胶的（a）可拉伸性，（b，c）可加工性，（d–f）形状适应性和粘合性以及（g，h）快速自愈能力。（i）在环境条件下的切割修复过程中电阻的变化。（j）循环切割修复过程。

3. MXene复合水凝胶电磁屏蔽效应

为了探索MXene复合水凝胶的EMI屏蔽性能，首先要研究其电性能。图3a示出了电导率对MXene含量的依赖性。电导率随MXene含量的增加而略有增加，但保持在0.1至0.8 S m-1的较低范围内。太赫兹时域光谱显示，MXene复合水凝胶的透射太赫兹辐射强度远小于入射波，并且当MXene含量超过8.5 wt％时几乎无法检测到，定性证明了入射太赫兹电磁波几乎完全屏蔽的（图3b）。图3d显示了MXene复合水凝胶的RL曲线。所有样品在测量的频率范围内均表现出优异的辐射吸收特性，为进一步确定屏蔽机理，分别比较了MXene复合水凝胶和泡沫以及纯PAA-ACC水凝胶的太赫兹EMI屏蔽和吸收性能（图3e）。

图3.吸收为主的太赫兹EMI屏蔽性能。（a）MXene复合水凝胶的电导率。（b）THz-TDS光谱和（c）MXene复合水凝胶的EMI SE。（d）MXene复合水凝胶的RL曲线。（e）MXene复合水凝胶和参考样品之间太赫兹EMI屏蔽和吸收性能的比较。（f）建议的MXene复合水凝胶的吸收主导型EMI屏蔽机制。（g）显示MXene复合水凝胶的表面形态的SEM图像。（h）太赫兹屏蔽和吸收性能的比较。（i）MXene复合水凝胶（0.29 mm）在不同状态下的太赫兹EMI屏蔽性能。

为了进一步确定屏蔽机理，分别比较了MXene复合水凝胶和泡沫以及纯PAA-ACC水凝胶的太赫兹EMI屏蔽和吸收性能（图3e）。PAA-ACC水凝胶是绝缘的，但仍显示12.6 dB的中等EMI SE值和强大的电磁吸收能力（RLMAX = 31.3 dB，EAB = 1.75 THz），证实了水对消散穿透波的积极作用。

4.可穿戴电子皮肤

除了提供吸收主导的电磁保护功能外，MXene复合水凝胶还显示出对变形的机电响应，并可用作感知人体运动和数字监测生命信号的传感器，这是可穿戴智能电子产品的高度需求。因此，通过使用弹性体VHB胶带作为基材封装水凝胶来制造传感器。如图4a所示，传感器的电阻在单轴拉伸下随应变的增加而单调增加。如图4d，e所示，当手指和手臂反复弯曲时，记录了传感器的响应行为。传感器可以重复响应运动并检测弯曲角度。此外，通过将传感器分别安装在脖子和前额上，可以成功地检测到更复杂和微妙的身体运动，例如吞咽和皱眉（图4f，g）。

图4.（a）传感器的归一化电阻与拉伸关系。（b）在不同拉伸变形下传感器的标准化电阻变化。（c）在不同变形频率下，传感器在50％应变下的标准化电阻变化。传感器的电阻响应于不同的身体运动而变化：（d）手指弯曲，（e）手臂弯曲，（f）吞咽和（g）皱眉。电阻根据（h）水滴和（i）传感器上的签名而变化。

【总结】

作者组织开发了一种多功能的MXene复合水凝胶，它具有出色的可拉伸性和可回收性，良好的形状适应性和粘合性，快速的自修复能力以及可提供有效太赫兹EMI屏蔽的感测能力。适度的电导率，多孔结构和内部富水环境之间的协同作用使水凝胶具有吸收为主的EMI屏蔽性能。0.13 mm厚的水凝胶的EMI SE达到45.3 dB，RLMAX值为23.2 dB，宽的EAB涵盖了整个测得的频率范围（0.2–2.0 THz），优于迄今为止报道的其他太赫兹屏蔽和吸收材料。此外，水凝胶型屏蔽材料可以保形地粘附到具有任意复杂几何形状的物体上，并可以快速地从损坏中恢复过来，这显示了在可穿戴电子产品和人造皮肤中应用的巨大希望。因此，我们相信这项工作可以为设计下一代太赫兹EMI屏蔽材料提供另一种策略，并为在宏观尺度上开发多功能3D MXene结构提供一种高效便捷的方法，这将大大扩展MXene材料的应用范围。