超重力诱导纳米片分类组装构建三梯度纳米复合水凝胶以少胜多实现优异的电磁屏蔽性能

设计具有梯度结构的纳米复合水凝胶对于超越传统均匀结构的纳米复合水凝胶的性能提升极具吸引力。然而，由于难以控制纳米填料在水凝胶网络中的空间梯度分布，制备具有梯度结构的纳米复合水凝胶一直颇具挑战性。在此，我们报道了一种通过超重力在明胶网络中诱导分类和组装纳米片的新方法，制备出具有三重梯度结构的 MXene纳米复合水凝胶。在超重力场下，不同尺寸的 MXene 纳米片在纳米复合水凝胶的厚度方向自动分类和组装，这使得能够创建 MXene 纳米片的多重空间分布梯度，包括横向尺寸、含量和取向度。我们证明，所制备的三梯度 MXene纳米复合水凝胶在仅使用 0.45 wt%的 MXene纳米片时，就能实现高达 67.7 dB的电磁屏蔽效能（EMI SE），这一数值远超大多数纳米复合水凝胶，通常传统纳米复合水凝胶使用高于 1 wt%甚至 10 wt%的纳米填料且其 EMI SE 仅为 20 dB至 50 dB。我们的研究结果为功能性梯度纳米复合水凝胶在高端应用中的开发提供了新的维度和灵活性。

图 1. 三梯度 MXene纳米复合水凝胶的设计与制备。

图 2. 利用耗散粒子动力学（DPD）模拟在超重力场中纳米片三梯度分布的可行性。 (a) 在超重力场作用下，不同横向尺寸的混合型 MXene 纳米片在明胶溶胶中的演化过程随时间的变化情况（b-d）超重力场下不同区域中 MXene 纳米片的平均横向尺寸、平均数量和平均取向角度。

图 3.超重力制备的三梯度 MXene 纳米复合水凝胶的尺寸梯度特性。（a）三梯度纳米复合水凝胶受热溶解所获得的溶剂分散液中 MXene 纳米片的尺寸分布示意图（b）通过动态光散射技术对溶胶分散液中不同位置的 MXene 纳米片的平均横向尺寸进行表征（c）不同位置溶胶分散液 MXene 纳米片的原子力显微镜图像（d）三梯度MXene 纳米复合水凝胶不同区域透射电子显微镜图像及MXene统计学平均横向尺寸。

图 4. 超重力制备的三梯度 MXene 纳米复合水凝胶的含量梯度和取向梯度特性。（a）三梯度纳米复合水凝胶横截面的图像和Ti元素EDX图像（b）通过 XPS 获取的三梯度纳米复合水凝胶不同区域的钛含量（c）从不同区域采集的三梯度纳米复合水凝胶的热重曲线（d）从横截面视图垂直方向测量的三梯度MXene纳米复合水凝胶不同区域的2D SAXS图像以及对应的取向度。

图 5. 超重力制备的三梯度MXene的纳米复合水凝胶的电磁屏蔽性能。（a）在 X 波段频率范围（8.2 - 12.4 GHz）内，具有相同厚度的三梯度、双层和随机纳米复合水凝胶的电磁屏蔽效率（b）具有相同厚度的随机、双层和三梯度纳米复合水凝胶的反射屏蔽效能（SE_R）、吸收屏蔽效能（SE_A）和总屏蔽效能（SE_T）（c）在 X 波段频率范围内，三梯度纳米复合水凝胶与双层纳米复合水凝胶及其他基于水凝胶的屏蔽材料的电磁屏蔽效率和纳米填料含量的比较（d）三梯度、双层和随机纳米复合水凝胶在 12.2 GHz 时的物理模型及相应的计算电场强度分布（e）电磁波在三梯度、双层和随机纳米复合水凝胶内部的功率损耗密度分布的模拟计算图。

相关工作以“MXene-embedded nanocomposite hydrogels with triple-gradient architecture” 为题发表在Chemical Engineering Journal上（https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164843），论文的第一作者为博士研究生徐广昌和博士后聂亦涵，张超研究员、吕朝锋教授、陈云敏院士和徐志康教授为共同通讯作者。该项工作得到了浙江省自然科学基金重大项目、国家自然科学基金重点项目和面上项目以及国家重点研发计划的资助。