近日，材料科学与技术学院姚正军教授、周金堂副教授在《Nature Communications》期刊发表了题为“Interfacial coupling effects in two-dimensional ordered arrays for microwave attenuation”的研究论文，博士生刘一杰为第一作者，周金堂副教授为第一单位通讯作者。

在这项工作中，团队提出了一种简单的冰模板法，将两种典型的ZIF衍生纳米材料自组装成二维有序多面体超结构。自组装成二维有序阵列后，纳米功能单元表现出独特的介电敏感行为。改进后的二维有序多面体超结构不仅继承了原子级掺杂和精心设计的壳结构，还进一步放大了损耗特性，实现了多尺度调制MA响应。最终在C、X和Ku波段实现了优异的MA性能。特别是在厚度为1.82mm的情况下，实现了6.41 GHz的超宽带微波吸收带宽。该研究展示了二维有序阵列诱导的多尺度极化行为，为充分利用吸波功能单元的潜力提供了方向。

微波通信在技术进步中发挥着至关重要的作用，然而这项技术的迅速普及使我们的环境充斥着复杂的电磁波。随着我们对这一宝贵资源的不断利用，有效的管理和负责任的使用对于确保技术的可持续发展变得越来越重要。随着纳米技术的蓬勃发展，不同维度、形貌和尺寸的纳米功能单元展现出高效微波吸收的潜力。但是在实际应用中，宏观微波吸收特性的体现往往需要大量的纳米材料。而通常的研究只关注单个纳米粒子的修饰和调制，忽略了实际应用中的聚集状态。纳米功能单元的排列和取向被忽视，无法利用功能单元间独特的耦合增强机制，对纳米材料进行改性的优势也无法得到充分发挥，阻碍了吸波材料的进一步发展。

图1：冰模板法自组装二维有序阵列合成路线图

通过简单的冰模板法利用固液两相间的压力差诱导纳米颗粒自组装成二维有序阵列，研究不同形貌和尺寸的ZIF衍生纳米颗粒来验证冰模板法的普适性。

图二：有序阵列对于电磁性能的影响和作用机制

对比二维有序阵列自组装过程前后的电磁参数和吸波性能，并分析其耦合增强机制。研究得出在相组成没有发生变化的条件下，由于其规则排列，导电性能大幅度上升。通过COMSOL模拟样品在微波场下的表面电荷分布和电场，二维有序阵列由于其间距更小，电荷的离散导致相邻面上感应出更高的电场强度。

图三：二维核壳有序阵列的多尺度调制工程示意图

进一步对ZIF衍生纳米材料进行改性包覆，定制更多的界面和极化位点。最终研究发现结合纳米改性技术和有序阵列界面耦合增强机制的二维核壳有序阵列可以实现对电磁波多尺度调制效果。在原子层级上，氮原子通过化学掺杂-热力学高温渗入的方法取代碳骨架中的碳原子。电荷密度差图显示氮原子掺杂后会引起增强的电荷分离效应。电荷不均匀的积累会形成类电容结构，在交变电场中生成内置电场，增强对于电磁波的能量转换。

图四：二维核壳有序阵列的吸波性能与界面损耗仿真图

在纳米尺度上，通过电磁仿真中的体积损失密度表征核壳结构对电磁波的损耗效果。其中核壳结构可以作为更大的谐振腔，在腔内的多次反射和散射会增强对于电磁波的耗散效果。在微米尺度上，通过冰模板法自组装成的二维有序阵列可以做为放大器来增强以上效应。冰模板诱导的二维有序阵列，一方面突破了无序排布短程电荷传输的限制，另一方面定向密集排列的界面会增强极化弛豫过程。不仅继承了原子级别的掺杂和精心设计的核壳结构，还将其损耗特性放大，实现多尺度调制吸波性能，最终实现低厚度下多个频段的有效吸收。

总之团队通过构建二维有序阵列，连接了不同尺度的机制与调制行为。纳米功能单元在自组装成二维有序阵列后表现出独特的介电敏感行为。改进的二维有序多面体超结构不仅继承了原子级掺杂和精心设计的壳结构，还进一步放大了损耗特性，实现了多尺度调制的吸波响应。作者们提出二维有序阵列诱导的多尺度极化行为，为充分利用吸波单元的潜力提供了新的方向。

这项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国防工业技术发展计划项目、江苏省前沿引领技术基础研究重大项目、江苏省研究生研究与实践创新计划项目、南航研究生院引航计划和苏州国家实验室的支持。

课题组简介：近年来，团队结合国家材料产业布局与国际前沿新材料发展趋势，积极开展理论探索、科学创新、技术攻关、成果转化等研究工作，形成多个创新型研究课题及探索方向，包括：微纳吸波功能体、防腐/吸波一体化材料、吸波超材料与吸收/波束调控材料等。研究成果在Nat. Commun., Adv. Funct. Mater., Nano-Micro Letter, Adv. Powder Mater., J. Mater. Sci. Technol等国际、国内高水平期刊发表SCI论文200余篇，申请/授权中国发明专利60项，研究成果受到同行的广泛关注。