在復(fù)雜多變的現(xiàn)代電磁環(huán)境中，雷達與通信系統(tǒng)對能夠?qū)崟r、動態(tài)調(diào)節(jié)自身電磁性能的“主動”器件的需求日益迫切。然而，當(dāng)前制造大面積、高性能的主動微波調(diào)控表面仍面臨巨大挑戰(zhàn)，現(xiàn)有技術(shù)往往受限于可調(diào)范圍窄、調(diào)控機制單一或難以大面積制備等問題。

近日，電子科技大學(xué)陸海鵬研究員、國防科技大學(xué)楚增勇研究員和新加坡科技研究局(A*STAR)Luo Tao合作，成功開發(fā)出一種基于離子液體聚合物的自適應(yīng)微波調(diào)制表面。該材料利用溫度變化誘導(dǎo)氫鍵網(wǎng)絡(luò)斷裂與重建，驅(qū)動離子液體的定向運動與電荷遷移，從而在微波頻率下實現(xiàn)介電性能的靈活調(diào)控。結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法，研究者建立了溫度、離子液體濃度與介電常數(shù)之間的關(guān)聯(lián)模型，設(shè)計出可重編程的微波調(diào)制表面。該表面僅2毫米厚即可在不同溫度下實現(xiàn)“關(guān)閉-開啟”或“開啟-關(guān)閉”兩種吸收模式的切換，并展現(xiàn)出寬頻帶、強吸收的特性。此外，通過3D打印技術(shù)，團隊還實現(xiàn)了像素化表面與自感知功能的集成，為下一代智能電磁器件的發(fā)展提供了新思路。相關(guān)論文以“Adaptive ionic liquid polymer microwave modulation surface with reprogrammable dielectric properties”為題，發(fā)表在

Nature Communications

研究團隊通過一系列實驗與模擬揭示了該材料電磁調(diào)控的內(nèi)在機制。示意圖直觀展示了離子液體聚合物在熱刺激下，氫鍵網(wǎng)絡(luò)斷裂導(dǎo)致離子液體被釋放，其偶極取向運動與電荷遷移能力發(fā)生顯著變化，從而調(diào)控材料的介電性能。宏觀形態(tài)顯示材料具有良好的柔韌性。開爾文探針力顯微鏡結(jié)果證實，溫度變化并未改變材料厚度，但表面電勢升高，表明高溫下表面功函數(shù)降低，自由電荷載流子濃度增加，極化能力增強。密度泛函理論計算的差分電荷密度圖從電子層面揭示了氫鍵斷裂的過程。分子動力學(xué)模擬進一步統(tǒng)計了不同組分間的氫鍵密度，發(fā)現(xiàn)隨著離子液體濃度增加，其與聚合物之間的氫鍵密度降低，而離子液體內(nèi)部氫鍵密度增加，這意味著系統(tǒng)中自由離子液體比例升高，直接影響介電調(diào)控能力。擴散系數(shù)的顯著提升則直接證明了氫鍵斷裂后離子液體遷移率的大幅增強，為電磁性能的劇烈變化提供了動力學(xué)依據(jù)。

圖1 | IL-P中的電磁調(diào)控機制。 a 基于IL-P的電磁性能調(diào)制示意圖。b IL-P在30°C和130°C下的宏觀形貌。c 30°C和130°C下IL-P薄膜的KPFM圖像。d 30°C和130°C下IL-P薄膜的厚度和表面電勢。e IL-P體系中的氫鍵網(wǎng)絡(luò)和差分電荷密度，等值面值：0.02 e/?3。f 不同IL濃度的IL-P體系中各組分間的氫鍵密度。g 不同溫度場下IL的分子動力學(xué)擴散系數(shù)。

為了更精確地闡釋電磁性能切換機制，研究者選取代表性樣品進行了深入分析。原位變溫傅里葉變換紅外光譜顯示，在30至130攝氏度的循環(huán)中，-OH和-NH?等基團的紅外透射峰同步增減，證實氫鍵網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了斷裂與重建。二維同步譜中的強自相關(guān)峰進一步凸顯氫鍵網(wǎng)絡(luò)破壞是熱刺激下最顯著的變化。依據(jù)諾達規(guī)則對同步與異步譜的分析，揭示了各基團對氫鍵斷裂貢獻的先后順序。低場核磁共振的弛豫時間譜表明，聚合物主鏈的弛豫運動受交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)限制，而離子液體中-NH?基團的T?和T?弛豫時間在熱刺激下發(fā)生了數(shù)量級的增長，這標志著離子液體動態(tài)狀態(tài)的劇烈改變，直接影響其在微波頻率下作為偶極子和電荷載流子的行為。介電性能測試表明，離子液體的引入極大地增強了材料的介電常數(shù)實部和虛部，其調(diào)控機制主要源于離子電導(dǎo)率貢獻的顯著提升。

圖2 | [EtA?][NO??]在PHEA中的遷移性對電磁性能的影響。 a 熱刺激下IL-P-2的原位FTIR光譜。b, c 變溫FTIR同步和異步相關(guān)譜。d 不同溫度刺激下IL-P-2在低場核磁中的T?和T?譜。e, f 30°C和130°C下的二維低場1H NMR譜。g IL-P-0和IL-P-2的介電常數(shù)實部(ε′)。h IL-P-0的介電損耗擬合結(jié)果。i IL-P-2的介電損耗擬合結(jié)果。j 溫度刺激對IL-P的ε″的作用機制。

基于對上述調(diào)控機制的理解，研究者通過調(diào)節(jié)離子液體濃度，實現(xiàn)了對微波吸收性能的程序化設(shè)計。在10 GHz頻率下，材料的介電常數(shù)實部、虛部及損耗角正切均隨離子液體濃度和溫度升高而增加，而磁導(dǎo)率基本不受影響，這意味著微波傳輸行為幾乎完全由介電性能調(diào)控。機器學(xué)習(xí)模型被用于高精度預(yù)測不同條件下的電磁參數(shù)，從而指導(dǎo)設(shè)計了兩類可切換微波吸收表面：一類在升溫時因衰減系數(shù)急劇增大而實現(xiàn)從“關(guān)閉”到“開啟”的強吸收切換；另一類則因升溫導(dǎo)致阻抗失配，實現(xiàn)從“開啟”到“關(guān)閉”的反射切換。這兩種表面均展現(xiàn)出寬的有效吸收帶寬和極大的反射損耗調(diào)節(jié)范圍，且經(jīng)過高低溫循環(huán)測試，表現(xiàn)出極佳的穩(wěn)定性。

圖3 | 由不同IL濃度IL-P構(gòu)成的可重編程微波吸收表面。 a-c 不同溫度刺激下，IL-P在10 GHz處的ε′、ε″和tan δ?。d 不同溫度刺激下，IL-P在10 GHz處的tan δ?，右上角插圖為衰減系數(shù)。e 基于機器學(xué)習(xí)算法對多變量耦合條件下電磁參數(shù)和反射損耗的建模與預(yù)測（虛線：預(yù)測值，實線：實際值）。f, g 展示兩種模式（關(guān)閉-開啟、開啟-關(guān)閉）微波吸收性能的示意圖及對應(yīng)反射損耗曲線。

研究還展示了該技術(shù)在大面積可調(diào)表面的應(yīng)用潛力。由柔性離子液體聚合物構(gòu)成的像素化表面，通過獨立控制每個像素單元的溫度，能夠動態(tài)形成不同的微波反射率圖案，為實現(xiàn)主動偽裝系統(tǒng)提供了可能。雷達散射截面測試結(jié)果進一步證實，該材料能顯著調(diào)控目標在不同溫度下的電磁散射特征，在飛機模型上的仿真也展示了優(yōu)異的RCS調(diào)控能力。此外，材料本身具備優(yōu)異的壓敏特性。通過3D打印制備具有微錐結(jié)構(gòu)的傳感器，其靈敏度與重復(fù)性俱佳。將此類傳感器陣列與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-Transformer混合模型結(jié)合，集成于自適應(yīng)表面中，可實現(xiàn)對表面所受沖擊位置的實時、精準定位與識別，賦予表面“自感知”的健康監(jiān)測功能。

圖4 | 大面積可切換微波調(diào)制表面。 a 大面積柔性IL-P演示。b 單個2 mm厚、10×10 cm面積的IL-P-2在不同溫度下的遠場掃描微波反射圖像。c, d 由3×3陣列單元在不同溫度配置下，通過掃描微波反射形成的像素化微波吸收表面圖像。e-g 面積為10×10 cm的2 mm厚可切換微波吸收表面的單站RCS結(jié)果。

圖5 | 由IL-P傳感性能與CNN-Transformer混合學(xué)習(xí)技術(shù)實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。 a 不同IL濃度IL-P的傳感能力。b 不同微結(jié)構(gòu)IL-P-2的傳感能力。c, d IL-P-2-T-2的動態(tài)響應(yīng)曲線及響應(yīng)/恢復(fù)時間。e IL-P-2-T-2在1000 Pa壓力下動態(tài)響應(yīng)的重復(fù)性。f 基于CNN-Transformer混合模型的IL-P-2-T-2傳感器陣列自感知識別原理。g 測試集分類結(jié)果的混淆矩陣。

綜上所述，這項研究成功制備出一種基于離子液體聚合物的柔性自適應(yīng)微波表面，通過熱控氫鍵動態(tài)調(diào)控離子液體的遷移與極化，在微波頻段獲得了高度可調(diào)的介電性能，并利用機器學(xué)習(xí)實現(xiàn)了性能的可編程設(shè)計。所展示的像素化調(diào)制、雷達隱身及結(jié)構(gòu)健康自感知等多種集成功能，充分展現(xiàn)了該材料在主動偽裝系統(tǒng)、可重構(gòu)天線、自適應(yīng)濾波器等下一代智能電磁設(shè)備中的巨大應(yīng)用潛力。這項成果為發(fā)展高性能、多功能的智能電磁材料與器件提供了全新的思路和堅實的平臺。