隨著5G通信、雷達(dá)探測(cè)與便攜電子設(shè)備的飛速發(fā)展，電磁波污染日益嚴(yán)重，不僅干擾設(shè)備正常運(yùn)行，還可能威脅人體健康與信息安全。傳統(tǒng)電磁波吸收材料往往功能單一、依賴(lài)水分、性能不穩(wěn)定，難以在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)多響應(yīng)協(xié)同。如何在單一材料中集成多種功能并實(shí)現(xiàn)環(huán)境觸發(fā)式切換，成為當(dāng)前材料科學(xué)面臨的重要挑戰(zhàn)。

近日，武漢大學(xué)劉興海教授團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)出一種基于水驅(qū)動(dòng)功能切換的多功能復(fù)合水凝膠。該材料在濕潤(rùn)狀態(tài)下表現(xiàn)出優(yōu)異的微波吸收性能，而在干燥后則能發(fā)射穩(wěn)定的室溫磷光。通過(guò)向碳點(diǎn)中摻雜銅原子，研究人員在分子尺度調(diào)控了水凝膠中的氫鍵網(wǎng)絡(luò)與水分子狀態(tài)，從而協(xié)同增強(qiáng)材料的電磁損耗與發(fā)光性能。該研究為開(kāi)發(fā)兼具電磁防護(hù)與光學(xué)信息加密功能的智能材料提供了全新思路。相關(guān)論文以“A Water-Driven Switchable Material for Optical and Electronic Information Security: Electromagnetic Shielding and Optical Encryption”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)銅摻雜碳點(diǎn)（Cu?-CDs）的引入，精細(xì)調(diào)節(jié)了水凝膠內(nèi)部的氫鍵結(jié)構(gòu)。拉曼光譜與熱重分析表明，銅摻雜降低了強(qiáng)氫鍵比例，增加了自由水分子的含量，從而在交變電磁場(chǎng)中更有效地促進(jìn)偶極極化與界面電荷遷移。拉伸測(cè)試與流變學(xué)表征進(jìn)一步顯示，適量羧甲基纖維素（CMC）的加入可增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)，優(yōu)化機(jī)械性能與水分保持能力，為后續(xù)電磁與光學(xué)功能的實(shí)現(xiàn)奠定結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖1 （a）PCC-n 水凝膠中水驅(qū)動(dòng)功能轉(zhuǎn)換示意圖。（b）不同組成的 PC/PCC 水凝膠的傅里葉變換紅外光譜；（c）熱重分析曲線；（d）X射線衍射圖譜；（e）拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（f）頻率掃描與（g）振幅掃描結(jié)果。

在電磁性能方面，隨著銅摻雜量的增加，復(fù)合水凝膠的介電常數(shù)與損耗能力顯著提升。其中 PCC-4 樣品在 2.65 mm 厚度下實(shí)現(xiàn)了最小反射損耗 -62.67 dB，而 PCC-2 樣品在 2.75 mm 厚度下獲得了 5.94 GHz 的最大有效吸收帶寬。電化學(xué)阻抗與 Cole-Cole 圖譜分析表明，銅摻雜不僅增強(qiáng)了碳點(diǎn)本身的電荷遷移能力，還引入了更多界面極化與缺陷偶極弛豫過(guò)程，從而協(xié)同提升電磁波損耗效率。通過(guò)特斯拉線圈與雷達(dá)散射截面模擬實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了該材料在真實(shí)場(chǎng)景中具有優(yōu)異的電磁屏蔽與雷達(dá)波衰減潛力。

圖2 （a）PCC-n 水凝膠在 2–18 GHz 頻率范圍內(nèi)的復(fù)介電常數(shù)（實(shí)部 ε′，虛部 ε″）。（b–f）分別為 PCC-0 至 PCC-4 的反射損耗三維圖。（g）對(duì)應(yīng)的最大有效吸收帶寬與最小反射損耗值。（h）PCC-n 水凝膠的電化學(xué)阻抗譜 Nyquist 圖。（i）不同銅摻雜結(jié)構(gòu)的密度泛函理論計(jì)算能量趨勢(shì)。（j）選取的 Cu?-CDs 代表性結(jié)構(gòu)的前線分子軌道示意圖。

圖3 （a）基于特斯拉線圈的簡(jiǎn)易電磁場(chǎng)驗(yàn)證系統(tǒng)示意圖。（b–f）分別為 PCC-0 至 PCC-4 覆蓋基板在遠(yuǎn)場(chǎng)模擬的三維雷達(dá)散射截面分布。（g）各樣品在不同探測(cè)角度下的雷達(dá)散射截面值。

當(dāng)水凝膠處于干燥狀態(tài)時(shí)，聚合物網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)形成剛性框架，有效抑制非輻射躍遷，從而激活穩(wěn)定的室溫磷光發(fā)射。以 PCC-4 為例，在 315 nm 激發(fā)下產(chǎn)生壽命約 0.92 秒的綠色磷光，在 254 nm 激發(fā)下則出現(xiàn)壽命約 0.23 秒的藍(lán)色磷光。這種雙色、長(zhǎng)余輝發(fā)光特性被成功應(yīng)用于信息加密演示：通過(guò)將 PCC-4 薄膜與普通熒光膜按點(diǎn)陣排列，可在紫外燈關(guān)閉后通過(guò)余輝揭示隱藏圖案。材料在多次干濕循環(huán)中仍保持結(jié)構(gòu)完整與功能可逆，顯示出良好的環(huán)境穩(wěn)定性與實(shí)用潛能。

圖4 （a）PCC-4 的磷光激發(fā)-發(fā)射映射圖。（b）PCC-4 在 254 nm 與 315 nm 紫外激發(fā)下的磷光發(fā)射光譜；（c）磷光壽命衰減曲線。（d）315 nm 與（e）254 nm 紫外光激發(fā)后的時(shí)間依賴(lài)熒光圖像。（f）其在高級(jí)光學(xué)信息加密中的應(yīng)用示意圖。

本研究通過(guò)氫鍵工程與金屬摻雜策略，成功構(gòu)建了一種能夠根據(jù)環(huán)境濕度切換電磁吸收與發(fā)光功能的智能水凝膠。該材料不僅拓寬了多功能軟物質(zhì)材料的設(shè)計(jì)思路，也為下一代電磁隱身、光學(xué)防偽與信息加密技術(shù)提供了新的材料平臺(tái)，展現(xiàn)出在動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功能集成的廣闊前景。