电磁辐射在日常生活中无处不在，除了太阳光等天然存在的电磁波，以电磁技术为基础的许多发明创造都会向空间辐射电磁能量 。如何避免过度电磁辐射污染成为人们关注的重点 。
“要使材料同时拥有优秀的屏蔽和高效的电磁吸收性能，实现绿色屏蔽是非常困难的，因为材料的吸收和反射之间存在相反的依赖关系 。”北京理工大学教授曹茂盛在接受《中国科学报》采访时表示 。
为了解决这一难题，曹茂盛团队研发出一种新型多孔纳米纤维，能兼顾电磁吸收和屏蔽性能 。“这意味着材料自身的本征衰减性能很强，能够同时实现电磁吸收和屏蔽的工作状态，对5G智能时代的通信及国防高技术领域的多功能器件研发有重要作用 。”
该成果近日发表于《纳微快报》 。
“鱼和熊掌可以兼得”
在超长距离能量传输、军事隐身、电气设备抗干扰等方面，电磁功能材料发挥着重要作用 。近几十年来，涌现出许多有价值的吸波材料，如碳材料、金属基材料、聚合物等 。
“传统电磁屏蔽材料，主要通过金属导电材料提高屏蔽效能，电磁波无法穿透材料，进而通过反射的方式进入环境，但强烈的二次反射可能会对其他‘邻居’造成影响 。”曹茂盛对采访人员说 。
为了消除电磁辐射对环境的影响，打造环境友好型屏蔽材料，2010年，曹茂盛开始带领团队以碳纤维为研究对象，研发兼备高效电磁吸收和电磁屏蔽的材料，即绿色电磁屏蔽材料 。
“由于吸收和反射之间的竞争效应，电磁屏蔽材料的反射越高，其吸收能力就越弱，要找到电磁吸收和屏蔽性能的平衡点十分困难 。”曹茂盛说 。
当时，国内外对绿色屏蔽材料的研究并不多，但他知道，电磁特性与电子器件相结合是先进电磁器件创新和突破的必然趋势 。
经过多年探索，曹茂盛团队通过双模板方法剪裁了多孔钴酸镍纳米纤维结构，调控了极化和电荷传输特性，获得了兼备电磁吸收和屏蔽性能的钴酸镍纳米纤维 。“这是一种优秀的绿色屏蔽材料” 。
“这种多孔纳米结构是由空心或多腔纳米球组装而成的纤维结构，表面粗糙不平，内部具有许多孔洞 。粗糙的表面提高了多重反射和散射的概率，多重孔洞则降低了材料有效密度 。”论文第一作者、北京理工大学博士张敏告诉《中国科学报》 。
曹茂盛指出，多孔纳米结构具有轻质、高比表面、电子传输通道丰富等特征，在催化、超级电容器、电磁衰减等领域，特别是电磁性能方面具有很大潜力，透彻理解其生长机理有助于调控材料性能，对促进电磁功能材料的创新具有重要意义 。
源于大自然的灵感
让材料兼顾高效电磁吸收和屏蔽的关键在于纳米结构，而曹茂盛团队已经对纳米结构进行了上千次的材料实验，但都没有取得理想效果 。
雷达波一旦进入森林就会失效，这些自然现象突然点醒了曹茂盛：“原来生物界就有最好的吸波屏蔽材料结构！”
为此，他带领团队开始对自然界的屏蔽材料结构进行研究，并借助仿生学和生态学原理进行了大量尝试，研究了工艺条件对材料结构和形貌的影响，据此剪裁材料的空间维度，构筑三维导电网络 。通过比对分析，最终获得了具有绿色屏蔽功能的钴酸镍纳米纤维，探明了电磁吸收和电磁屏蔽的工作状态及平衡机制 。
曹茂盛认为，科研的灵感离不开长期的积累和不间断的探索，同时还要开展交叉学科的创新研究 。
然而新事物从产生到被接受并非易事，最初有关绿色屏蔽材料文章的发表可谓一波三折 。“基础研究的创新，不仅仅是发表文章，更重要的是每篇论文可以给同行带来怎样的观点和启发，也就是常说的新材料、新结构、新机制、新规律 。”曹茂盛说 。
论文共同第一作者、北京理工大学博士韩陈指出，目前，多孔纳米纤维的绿色屏蔽性能还有进一步优化的潜力，接下来，他们还要进一步开发新的精确剪裁策略以提高材料的有效吸收，并找到平衡吸收和反射的最佳电导率，这也是未来的挑战 。
享受科研过程
10年前，在曹茂盛团队刚开始对绿色屏蔽材料进行研究时，国内外鲜有此方面的报道 。在这条未知的道路上“摸着石头过河”，他从未感到过枯燥或茫然，而是十分享受 。
“实际上，我们还有很多其他方面的研究，绿色屏蔽材料并非主战场，但具有很重要的意义，而科学问题具有很多共通之处，这一研究成果凝集了许多届师生共同的力量 。”曹茂盛告诉采访人员 。
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