西工大刘旭庆、曼彻斯特大学陈黎明等：纳米纤维/MXene聚电解质水凝胶实现吸收性EMI屏蔽与可穿戴传感

研究背景

随着柔性电子器件与高密度集成电路在可穿戴医疗、智能物联网等前沿领域中加速渗透，电磁辐射已成为新型环境干扰源，易导致设备性能劣化甚至功能失效。开发兼具高效电磁干扰(EMI)屏蔽与柔性适配特性的材料成为迫切需求。传统导电复合材料因阻抗失配引发强电磁反射，其虽能屏蔽电磁波(EMWs)却造成二次污染；而现有柔性材料难以平衡高导电性与吸收主导的屏蔽机制。聚合物水凝胶因其多孔结构、可调控导电网络及极性基团协同作用，为吸收型EMI屏蔽提供了新思路。通过优化材料组分与结构设计，水凝胶有望实现EMWs的高效吸收与可穿戴传感功能的集成，推动柔性电子器件的智能化发展。

Aramid Nanofiber/MXene-Reinforced Polyelectrolyte Hydrogels for Absorption-Dominated Electromagnetic Interference Shielding and Wearable Sensing

Jinglun Guo, Tianyi Zhang, Xiaoyu Hao, Shuaijie Liu, Yuxin Zou, Jinjin Li, Wei Wu, Liming Chen* & Xuqing Liu*

Nano-Micro Letters (2025)17: 271

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01791-4

本文亮点

1. 设计创新：巧妙借助聚电解质分子链中亲水极性基团的水合作用生成具有高迁移性的中间水(IW)，在提升水凝胶离子电导率的同时促进水分子在电磁场作用下的极化弛豫与分子重排，从而实现吸收主导型EMI屏蔽性能。

2. 性能优化：该多功能复合水凝胶充分利用了聚电解质的综合优势以及增强填料间的介电性差异，从而同时实现了优异的力学性能、卓越的粘附强度、出色的EMI屏蔽效果以及可靠的人体运动信号监测功能。

3. 机制解析：基于水凝胶材料的多孔结构和富含极性水分子的独特优势，本研究通过聚电解质重构水分子氢键网络，并结合MXene/ANF的介电梯度效应，成功解决了高导电水凝胶材料EMWs吸收效能不足的关键问题。

内容简介

随着柔性电子技术的快速发展，高性能电磁屏蔽材料的需求日益迫切。然而，现有材料面临两大关键挑战：传统导电复合材料因阻抗失配导致EMWs强反射，造成二次污染；而柔性材料难以兼顾高导电性与吸收主导的屏蔽机制。针对上述问题，西北工业大学刘旭庆教授和英国曼彻斯特大学陈黎明博士团队提出了一种创新解决思路——构建芳纶纳米纤维(ANF)/MXene增强聚电解质水凝胶。

研究团队利用聚电解质2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸(AMPS)与壳聚糖(CS)的综合优势以及ANF和二维材料MXene间的介电性差异，成功构筑了双填料ANF/MXene增强聚电解质水凝胶。这种独特的成分设计在赋予基质高电导率的同时，能够促进高迁移性IW的生成，从而实现EMWs吸收主导型EMI屏蔽材料。系统研究表明，水分子状态对屏蔽效能具有显著影响，该水凝胶在X波段和太赫兹(THz)波段的EMWs衰减能力均优于干燥及冷冻对照样品。此外，此种复合水凝胶兼具优异的力学性能、界面粘附性和运动信号监测功能，展现出其作为多功能柔性电子器件的应用潜力。

图文导读

I ANF/MXene增强聚电解质水凝胶的设计策略和结构表征

如图1所示，聚电解质链中的极性基团通过水合作用构建了结合水(BW)-自由水(FW)-中间水(IW)的多相水分子体系。其中，高迁移性IW可显著增强电磁场诱导的偶极取向与极化弛豫过程，同时聚电解质网络形成的离子传输通道有效提升电荷传导效率。研究证实，该材料通过多重非共价界面作用实现与生物组织的稳定集成，其内部导电网络与活化水分子协同形成独特的电磁耗散机制，成功实现吸收主导型EMI屏蔽与应变传感功能的双重集成。

图1. (a) ANF/MXene增强聚电解质水凝胶的制备示意图；(b) ANF/MXene增强聚电解质水凝胶的设计策略。

如图2所示，微观形貌与流变学分析表明，ANF/MXene协同增强显著优化了聚电解质水凝胶的孔隙规整度，填料引入同步提升了储能模量(G’)与损耗模量(G”)。DSC测试证实复合水凝胶中水分子相变特性：本体水由冰晶转变为液态的相变峰位于0°C附近，而A5M1.5PC在-19.81°C出现的宽吸热峰源于IW与FW的响应叠加。值得注意的是，水凝胶极性基团与水分子间的强定向氢键作用限制了冷却过程中水分子的运动，导致曲线中未能检测出BW。Raman光谱进一步解析水分子状态：O-H伸缩振动区解卷积显示，3226 cm⁻1与3343 cm⁻1特征峰归属强氢键FW分子，3468 cm⁻1与3608 cm⁻1特征峰则对应弱氢键IW分子。该结果验证了聚电解质活化水分子策略可有效降低电磁场极化弛豫能垒。

图2. (a)-(d) Ti₃C₂Tₓ MXene、原始PPTA纤维、ANF和A5M1.5PC水凝胶的SEM图像；(e) Ti₃AlC₂ MAX和Ti₃C₂Tₓ MXene的XRD图像；(f) ANF分散液的Dingdall效应；(g) A₀M₀PC和A5M1.5PC水凝胶的流变学性能；(h) 水、Dry-A5M1.5PC和A5M1.5PC水凝胶的DSC曲线；(i) A5M1.5PC水凝胶的Raman图谱。

II ANF/MXene增强聚电解质水凝胶的力学性能表征

系统力学研究揭示了ANF/MXene协同增韧机制(图3)。复合水凝胶展现出显著提升的力学性能与断裂延伸率，其中ANF对强度增强贡献更为突出，适量MXene则促进复合网络均匀化。基于亲疏水作用差异，A5M1.5PC内部形成亲水基体相与ANF富集疏水相；亲水MXene通过氢键以及氢键与静电作用分别桥接ANF与基体，实现应力高效传递。此外，搭接剪切测试证实此种水凝胶具备强界面粘附性，为人体运动信号的高保真采集提供稳定集成基础。

图3. (a)-(b) 水凝胶单轴拉伸过程中的应力-应变曲线；(c) 水凝胶的平均拉伸韧性；(d) 水凝胶单轴压缩过程中的应力-应变曲线；(e) A5M1.5PC水凝胶中应力传递示意图；(f) A5M1.5PC水凝胶搭接剪切粘附力测试；(g) A5M1.5PC水凝胶粘附在各种基底上的照片。

III ANF/MXene增强聚电解质水凝胶的X波段EMI屏蔽性能

系统研究了厚度、填料、拉伸应变及水分子状态对X波段电磁屏蔽性能的影响规律(图4)。复合水凝胶的总屏蔽效能(SET)与吸收效能(SEA)随厚度增加显著增强，而反射效能(SER)基本稳定。填料组成对屏蔽性能影响显著：无填料体系(A₀M₀PC)屏蔽效能最低；对于单填料体系，MXene构建连续导电网络，其EMI屏蔽性能优于低导电ANF；双填料体系(A5M1.5PC)通过介电差异促进多重反射与界面极化，实现最优屏蔽性能。施加拉伸作用时，屏蔽效能随拉伸率增加而下降，这归因于厚度减薄与MXene导电网络断裂。为阐明水分子对EMI屏蔽效能的作用机制，对比分析了干燥态与冷冻态复合水凝胶的屏蔽性能。干燥处理使屏蔽效能急剧降低且削弱厚度效应；-80°C冷冻处理通过结晶化抑制IW和FW的极化弛豫能力，导致屏蔽性能显著劣化。上述结果验证了弱氢键活化水分子对优化电磁屏蔽性能的核心作用。

图4. (a) 通过Tesla线圈演示A5M1.5PC水凝胶EMI屏蔽性能的照片；(b) X波段水凝胶的平均EMI SER、SEA和SET；(c) X波段水凝胶的吸收系数；(d) 拉伸后A5M1.5PC水凝胶的平均EMI SET；(e) 本研究和参考文献的EMI SEA/SET对比；(f) Dry-A5M1.5PC和A5M1.5PC水凝胶平均EMI SER、SEA和SET对比；(g) Frozen-A5M1.5PC和A5M1.5PC水凝胶平均EMI SER、SEA和SET对比。

IV ANF/MXene增强聚电解质水凝胶的THz波段EMI屏蔽性能

在THz频段(0.2~3 THz)，复合水凝胶展现出卓越的EMI屏蔽性能(图5)。太赫兹时域光谱(THz-TDS)测试显示，材料最大EMI SET达110 dB，吸收率为90%~99%。与X波段不同，THz屏蔽效能主要取决于水凝胶基体作用。干燥样品仍可有效衰减入射波能量，但在低频THz区屏蔽效能显著降低。多孔结构使其在无水条件下仍可有效耗散高频短波长THz波，本质原因在于水分子中永久偶极子无法响应高频电磁场变化。综合机制分析表明，水分子在X波段及THz低频区具有更显著的EMWs衰减优势。

图5. THz屏蔽性能。(a) N₂和水凝胶的THz透射信号；(b) 水凝胶的EMI SET曲线；(c) 水凝胶的吸收率曲线；(d) 水凝胶的RL曲线；(e) Dry-A5M1.5PC和A5M1.5PC水凝胶的THz透射信号；(f) Dry-A5M1.5PC和A5M1.5PC水凝胶的EMI SET曲线。

V ANF/MXene增强聚电解质水凝胶的EMI屏蔽机理

对A5M1.5PC水凝胶的EMI屏蔽机制进行系统总结与图示解析(图6)。其作用机制包含多级协同过程：首先，多孔表面结构与适中导电性使入射EMWs在表面无显著反射；随后，透射波在凝胶内部传播时，经历MXene导电网络、ANF及聚合物骨架引起的多重反射与散射，延长传播路径并增强与孔界面相互作用；MXene导电网络通过涡流效应加速电磁能耗散。MXene与聚合物骨架、ANF间的显著电导率差异有效促进多重内反射与界面极化损耗。未被上述机制耗尽的残余EMWs在水分子域富集，通过水分子强导电与极化效应被进一步消耗。富水区亲水MXene凭借优异导热性促进涡流生热传递与耗散，间接增强EMWs衰减。尤为关键的是，IW域内水分子间弱键合特性相较于FW更利于极化弛豫，这种活化水通过易极化效应显著提升EMWs耗散效率。此外，多数分子振动与旋转频率处于THz波段，其强分子共振效应与短波长特性共同导致THz波较X波段更易被剧烈衰减。

图6. 复合水凝胶的EMI屏蔽机理图。

VI ANF/MXene增强聚电解质水凝胶的应变传感性能

得益于MXene及聚合物链中丰富的带电离子，A5M1.5PC水凝胶展现出优异的导电性。形变会改变水凝胶中MXene纳米片分布并引发带电离子迁移，从而导致电阻变化。基于此机制，通过记录不同形变以及各种人体运动行为下的相对电阻信号验证其作为应变传感器的适用性。

图7. 复合水凝胶的传感性能。(a) A5M1.5PC水凝胶作为应变传感器的作用机理示意图；(b) GF随拉伸应变施加的变化曲线；(c) A5M1.5PC水凝胶作为应变传感器监测人体运动信号的示意图；(d) 在电流刺激下A5M1.5PC水凝胶的响应时间和恢复时间；人体运动监测：(e) 手指弯曲不同角度；(f) 肘关节弯曲；(g) 膝关节弯曲；(h) 呼吸声喉咙振动；(i) 发音说“MXene”；(j) 发音说“yes”。

VII 总结

本研究构建ANF/MXene协同增强的聚电解质水凝胶体系，实现多功能柔性电子器件集成。力学分析证实双相填料对基体的增强效应，水合状态测试揭示聚电解质诱导形成弱氢键结合的IW。基于该活化水分子体系，结合干燥/冷冻对照实验，阐明材料在X波段及THz低频区的EMWs衰减优势。多级屏蔽机制源于多孔结构-导电网络-介电梯度协同作用，其中短波长THz更易衰减的特性使该频段屏蔽性能优于X波段。人体运动监测实验同时验证其应变传感潜力，为水凝胶基电磁防护-传感一体化器件设计提供新思路。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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