四川大学李乙文教授《自然·通讯》：高性能黑色素样吸波气凝胶实现超高屏蔽效能

　　随着航空航天和军事装备对复杂环境中作战速度与隐蔽性要求的日益严格，电磁屏蔽材料正向轻量化、高性能方向迭代升级。传统金属材料密度过高，而碳纳米管、石墨烯等高共轭无机材料虽被广泛研究，却因相容性差难以构建有效的自适应网络。另一种石墨化有机材料的策略则因固有缺陷导致性能受限。因此，开发兼具规整结构和优异加工性能的本征共轭有机材料，成为突破轻量化电磁屏蔽技术的关键。

　　四川大学李乙文教授研究团队创新性地通过调控π-π堆叠，以5,6-二羟基吲哚四聚体为框架构建出高度有序的黑色素样纳米纤维。所得气凝胶展现出卓越的微波吸收性能：最大反射损耗达-68.87 dB，有效吸收带宽5.25 GHz，在X波段比屏蔽效能（SSE/t）高达47,909.9 dB·cm²/g。这是首次将黑色素类聚合物成功扩展至微波频谱，为电磁防护材料开辟新路径。

　　传统聚多巴胺（PDA）因无序交联形成各向同性纳米颗粒。本研究引入单羟基吲哚（5-OH-In）调控聚合过程，显著抑制氢键随机交联，促使DHI四聚体定向堆叠，形成黄色纳米纤维。透射电镜（TEM）显示其层间距约3.4 Å，与典型π-π堆叠一致；X射线衍射（XRD）和拉曼光谱进一步证实高度有序性——G峰半峰宽窄至1580 cm⁻¹，D峰占比仅1.61%，分子排列呈类晶格固定状态。

　　图1 黑色素样纳米纤维的制备与表征 A. 传统PDA纳米颗粒与PDA纳米纤维的制备及应用示意图； B. PDA纳米纤维气凝胶的光学照片； C. PDA纳米纤维的SEM图像； D. PDA纳米纤维的高分辨TEM图像（红线标注π-π堆叠间距）； E. PDA纳米纤维的XPS全谱及元素比例； F. UPLC-MS分离的DHI环四聚体； G. GROMACS模拟的分子堆叠结构（1-4为典型构型）； H. PDA纳米纤维的XRD图谱； I. PDA纳米纤维的拉曼光谱（插图为D/G峰面积比）。

　　纳米纤维经冷冻干燥与高温碳化（600–900℃）形成超轻碳气凝胶（NFAG）。即使高温处理后，纤维形貌仍保持完整（SEM结果）。NFAG-900比表面积达885.65 m²/g，是传统碳化PDA纳米颗粒的4倍；微孔结构（2 nm）促进离子传输并优化阻抗匹配。XPS证实热处理产生氧空位和电子-空穴对，增强介电损耗；拉曼D/G比升至0.8221，表明石墨化程度提升，利于电子传输。

　　NFAG的优异吸波性能源于三重损耗机制：（1）巨大比表面积和微孔引发界面极化；（2）纤维皮芯结构形成异质界面，促进多次反射；（3）有序结构赋予高导电性，产生欧姆损耗。其中NFAG-900在10.62 GHz处反射损耗峰值达-68.87 dB，有效吸收带宽覆盖5.25 GHz（厚度2.5 mm），性能超越多数已报道材料。Cole-Cole曲线证实高频区存在显著德拜弛豫极化，贡献主要介电损耗。

　　图3 NFAGs的微波吸收行为 A. 微波吸收过程示意图； B. NFAGs吸波机制图解； C. NFAG-900的反射损耗曲线反射损耗的三维图谱与二维投影； E. 典型碳气凝胶材料性能对比； F. NFAG-900不同厚度下的阻抗匹配； G. NFAG-900的Cole-Cole曲线。

　　NFAG的屏蔽机制以吸收为主导（占比80%）。其皮芯结构使电磁波在致密外壳多次反射，最终被交联纤维网络转化为热能。NFAG-900电导率达103.47 S/m，比石墨化PDA纳米颗粒高6个数量级。密度仅3.11 mg/cm³的2 mm厚样品，屏蔽效能（SE）为65 dB，比屏蔽效能SSE/t达47,909.9 dB·cm²/g——相当于在1克材料上构建47,909层屏蔽网络，创同类材料纪录。

　　图4 X波段电磁屏蔽性能 A. 皮芯结构屏蔽机制示意图； B. 典型碳气凝胶比屏蔽效能对比； C. 不同热处理温度下的电导率； D. 不同温度下的屏蔽效能； E. 屏蔽参数（吸收/反射占比）； F-H. 不同浓度样品的电导率、屏蔽效能及参数； I. 多尺度皮芯结构的SEM/TEM图像。

　　以F-35隐身战机为模型的雷达散射截面（RCS）模拟显示：NFAG-900作为2.5 mm涂层时，在10.46 GHz（最佳吸收频点）可使平均RCS降至-35 dB以下。尤其在10°入射角下，153°方位角处RCS低至-50.47 dB，证实其在复杂姿态下具备实战级隐身能力。

　　该研究提出的“结构预调控”策略，通过抑制氢键交联、强化π-π堆叠，首次赋予黑色素类聚合物长程有序性。其仿生设计理念（如模拟自然界卟啉衍生物通过聚集态调节吸光特性）为开发轻量化、可加工的高性能电磁材料开辟新范式。这种有序纳米纤维架构有望推动隐身技术、航空航天电磁防护等领域的革新。