近期，仿生界面材料科学全国重点实验室王广胜教授&刘明杰教授&刘利民教授团队提出了一种均匀应变策略，通过聚合物均匀脱水收缩实现自起皱诱导MXene形成图案化格子结构。该工作以“Regular-wrinkling tunable MXene lattice for electromagnetic interference shielding”为题发表在《Nature Communications》。

　　柔性电路板及其组件需要低厚度、高性能的电磁屏蔽材料。迄今为止，该领域的研究主要集中在材料改性和多材料复合上，以提高所需的高导电性，从而实现高性能的电磁屏蔽。这是因为薄膜材料的电磁屏蔽性能主要受电磁波单一反射路径的传统机制限制。表面图案化结构通过晶格内的多次散射甚至其他新颖机制，具有显著增强电磁屏蔽性能的潜力，尤其是当图案化结构的尺寸减小到微/纳米级时。自1929年Wagner 首次研究金属薄板上的褶皱以来，通过收缩弹性体诱导的褶皱或反应扩散系统中的Turing机制来操控薄膜表面图案方面取得了巨大进展。然而，要在微/纳米尺度上实现均匀且稳定的可调图案，尤其是对于无机材料而言，由于传统方法引入的不均匀应变，这仍然是一个挑战。

　　受水果表皮自然起皱现象的启发，本工作提出了一种均匀应变策略，通过聚合物均匀脱水收缩实现自起皱诱导MXene形成图案化晶格结构。均匀的起皱幅度可从0.8 μm调节至6 μm。晶格结构导致MXene形成了额外的导电路径和表面散射，所获得的晶格结构薄膜在17 μm厚度时表现出高达81.5 dB的出色电磁屏蔽性能，在经历各种恶劣测试条件后仍保持较高的电磁屏蔽性能和稳定性。这些结果表明，基于传统材料的超薄薄膜通过褶皱诱导的表面规则图案，具有提升电磁屏蔽性能的潜力。

　　(A) 水果表皮在自然环境中形成褶皱。(B) 晶格结构MXene的制备示意图。(C) MXene在聚酰亚胺 (PI) 表面的截面SEM图像。数据来自十次独立实验(n=10)，结果具有代表性且相似。(D)晶格结构MXene在不同放大倍数下的SEM图像。数据来自十次独立实验(n=10)，结果具有代表性且相似。(E)晶格结构MXene的三维原子力显微镜图像。(F)晶格结构MXene与近期报道的其他电磁干扰屏蔽材料性能对比。红圈内的五个五角星代表通过本方法制备的样品。

　　(A)平面MXene与晶格结构MXene在X波段的总屏蔽效能、吸收屏蔽效能及反射屏蔽效能的平均值对比。(B)晶格结构MXene的电磁干扰屏蔽效能及其截面扫描电镜图像。数据来自十次独立实验(n=10)，结果具有代表性且相似。(C) 晶格结构MXene在Ku、K及Ka波段的电磁干扰屏蔽效能。(D)不同MXene体积分数、平面MXene及晶格结构MXene薄膜的电磁干扰屏蔽效能对比。(E)不同厚度的晶格结构MXene在X波段的电磁干扰屏蔽效能。(F)10 GHz频率下晶格结构薄膜的有限元模拟电流密度分布图，及(G)电场方向分布图。(H)晶格结构MXene薄膜的电磁干扰屏蔽机理示意图。带箭头的蓝色曲线表示入射电磁波，带箭头的黄色曲线表示多重散射，带箭头的橙色曲线表示表面反射的电磁波。在放大图中，带箭头的红色直线及发出的蓝光表示导电通路，黄色箭头则代表电磁波在单个晶格单元内的散射过程。

　　开发出能够在极端环境中承受巨大压力的高性能电磁防护材料仍然是一个重大挑战。得益于特殊的格子结构，MXene薄膜在承受 11% 的拉伸应力后其电磁防护性能仍保持稳定。特殊的表面结构赋予了MXene薄膜在超声处理、低温（-196°C）、高温（300°C）、酸性或湿热环境以及热冲击（∆T=496°C）等条件下出色的耐久性，从而使其能够在恶劣环境中应用。MXene薄膜还具有疏水性和快速的焦耳热除冰特性。具有格子结构的MXene薄膜在恶劣环境的电磁防护领域具有巨大的应用潜力。

　　(A) MXene/PI薄膜与其他MXene基电磁屏蔽材料的性能对比。(B)受力后MXene/PI薄膜的电导率与电磁干扰屏蔽效能。(C) MXene/PI薄膜在初始状态、8%应变及11%应变下的扫描电镜图像。拉伸后交叉晶格区域出现的裂纹位于虚线圆圈内。数据来自十次独立实 (n=10)，结果具有代表性且相似。(D)晶格结构 MXene、平面MXene及MXene-VAF在 180°弯曲后的电阻变化。(E)超声清洗前/后、(F)300℃高温、-196℃低温、pH=1酸性环境及热冲击处理前/后MXene/PI薄膜的电磁屏蔽效能。(G)晶格结构MXene、平面 MXene与 MXene-VAF的抗氧化活性对比。

　　(A)MXene/PI薄膜在不同驱动电压下10秒内的红外热成像图。(B)MXene/PI薄膜在不同驱动电压下的温度-时间曲线。(C)MXene/PI薄膜的电压与温度性能与文献报道值的对比。(D)MXene-VAF、平面MXene及晶格结构MXene薄膜的水接触角。(E)结冰实验示意图。(F)MXene-VAF、平面MXene及晶格结构MXene薄膜的结冰时间。(G)施加电压后冰块的融化与滑落过程。

　　综上所述，本文报道了一种通过聚合物在脱水反应中收缩诱导形成的自褶皱晶格结构 MXene。该晶格结构提供了额外的电磁波散射界面与更多导电通路，从而增强了电磁波损耗。得益于这一结构，厚度仅为 17微米的褶皱 MXene 薄膜实现了高达 81.5 dB 的电磁干扰屏蔽效能。独特的晶格结构使其在经受机械拉伸、超声处理、高低温、酸性溶液及湿热环境等多种严苛条件后，仍能保持 75 dB 以上的屏蔽效能。此外，MXene/PI 薄膜还表现出疏水性与快速的焦耳热除冰特性。本研究提出了一种具有前景的无机材料自组装图案化策略，为在恶劣环境或严苛工况下实现高效电磁干扰屏蔽应用展示了潜力。

　　该工作得到北京航空航天大学和仿生界面材料科学全国重点实验室等平台的大力支持。该工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

　　原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-68035-2