四年两篇Science，再次刷新电磁屏蔽记录

电磁辐射无影无踪却无处不在，我们平常使用的手机、WiFi、电脑等，都能产生电磁辐射。据说有些家里的长辈坚持认为WiFi辐射对人体有害，晚上睡觉前要关闭WiFi，提高睡眠质量，而事实令人震惊，不关WiFi真的影响睡眠质量——晚上不关WiFi，有多少人能抵挡得住拿起手机刷剧打游戏的诱惑呢？黑眼圈似乎就是晚上不关WiFi的必然结果。

WiFi、5G信号这类电磁辐射损害人体健康，只能当成笑话来听。从家用电器、手机信号和广播，到可见光，几乎所有人每天都暴露在微弱的电磁辐射之中。毫无疑问，高强度电磁辐射（如电离辐射）下即使短期暴露，也会有害健康，然而到目前为止的证据，还不足以证明低强度长时间暴露在电磁场下会造成任何的负面健康影响。

常见的电磁辐射。图片来源于网络

虽说微弱的电磁辐射对人体影响不大，但对于电子设备，特别是高灵敏度的电子设备，影响就大了。当你用音箱外放音乐时，手机突然响了，如果手机离音箱比较近，那么你会在手机响之前听到音箱发出滋滋的声音，这就是生活中常见的电磁辐射干扰。

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电磁干扰会导致信息储存和传递过程中数据丢失、误读，严重的将造成电子设备出现故障和退化。而电子设备及其组件以更高的性能和更小的尺寸，也使得电磁干扰结果大幅增加。于是人们使用特殊材料，来屏蔽有害电磁辐射。通常，有效的电磁干扰屏蔽材料需要具有高导电性，因此金属制成的“金钟罩”曾经的首选材料。然而对于较小的电子设备和部件，增加额外的重量以及对腐蚀的敏感性使得金属变得不那么理想。质量轻、低成本、高强度、易于制造、对电磁波的强吸收能力和较弱的二次反射等，成为理想电磁干扰屏蔽材料的必要特性。

手机对医疗设备的电磁干扰影响。图片来源：J. Adv. Res. ^[1]

近日，韩国科学技术研究所（KIST）Chong Min Koo、美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi等研究者在Science 杂志上发表论文，报道了一类新的二维过渡金属碳氮化物MXene材料——Ti₃CNT_x，具有合适的导电性，经过退火处理后，展现出超高的电磁屏蔽能力。

高电磁屏蔽性能MXene材料示意图。图片来源：Drexel University ^[2]

MXene这种具有二维层状结构的金属碳化物或金属氮化物材料无疑是当前的研究热点。说到Yury Gogotsi课题组的MXene材料，已有十年的发展历史，其灵感来源可以追溯到层状陶瓷材料MAX，其中M代表一种过渡金属，A代表IIIA或IVA族元素，X代表碳或氮。

MXenes的结构和出版统计。图片来源：Chem. Eng. J. ^[3]

第一个MXene成员——Ti₃C₂纳米片，就是在室温下利用氢氟酸剥离Ti₃AlC₂得到的，其微观结构类似于片片相叠的薯片，并于2011年发表在Adv. Mater.杂志上 ^[4]。目前该类材料已在多个研究领域，如能源、光学、催化等，引发了全世界的关注。

MXene的“薯片”结构。图片来源：Adv. Mater. ^[4]

2016年，Yury Gogotsi课题组在Science 杂志上发表了第一篇关于MXene材料在电磁干扰屏蔽领域应用的论文，45 μm厚的Ti₃C₂T_x薄膜屏蔽电磁干扰能力为92 dB，刷新了当时电磁干扰屏蔽材料的记录 ^[5]，也开启了MXene材料的新应用。同时，研究者提出了二维层状材料的电磁屏蔽机制：由于高导电性，Ti₃C₂T_x表面有大量的自由电子，当电磁波冲击Ti₃C₂T_x时，大部分被反射出去；剩余的电磁波与Ti₃C₂T_x晶格相互作用产生欧姆损耗，导致能量下降；残存的电磁波穿透第一层后再次产生反射/吸收/透过过程，直到在结构中被完全吸收，这是传统金属材料所不具备的机制。机理的提出为材料的进一步优化提供了基础。

Ti₃C₂T_x薄膜屏蔽性能及机理示意图。图片来源：Science ^[5]

Ti₃CNT_x材料结构表征。图片来源：Science

时隔四年，这一纪录又被再一次刷新，40 μm厚的Ti₃CNT_x薄膜屏蔽电磁干扰能力为116 dB。关于Ti₃CNT_x材料，其结构与2016年提出的Ti₃C₂T_x非常相似，不同的是，用氮原子随机取代碳原子，并进行了热退火处理。有趣的是，刚合成的Ti₃CNT_x比Ti₃C₂T_x屏蔽电磁干扰能力差，但是，经过350 °C热处理后，抗干扰能力迅速提升。

材料的屏蔽电磁干扰能力比较。图片来源：Science

那么继续提高退火温度是否可行呢？温度的进一步升高会导致Ti₃CNT_x薄膜的氧化严重，同时电导率降低。比如，材料在250 °C煅烧时达到最大电导率2375 S cm^-1，而350 °C时电导率反而开始下降。不过，另研究者惊讶的是，尽管350 °C退火后，材料的电导率下降，其屏蔽电磁波的性能反而更强了。

随后，研究者对材料进行了一系列测试。通过退火前后材料的对比可以看出，孔隙率随退火温度的升高而增加，同时层间距却随着退火温度的升高而降低，这是由于热处理过程中产生的气体从层状结构中逸出。多孔性和层间距是导致材料对电磁波的屏蔽性能提升的主要原因之一。

Ti₃CNT_x和Ti₃C₂T_x薄膜屏蔽性能测试。图片来源：Science

除了导电性、多孔性对电磁屏蔽的影响，热煅烧处理过程也可能导致了原子层展现出超材料结构。不过，研究者未能从理论计算中直接预测退火Ti₃CNT_x薄膜的电磁干扰屏蔽行为，这说明偶极极化、介电常数、磁导率和MXene的低维特性等因素也可能是屏蔽性能提高的原因。具体的作用机制可能还需要进一步研究。

“与Ti₃C₂T_x相比，Ti₃CNT_x具有非常相似的结构，但后者的导电性要低一个数量级。实际上，我们最初并不指望Ti₃CNT_x比之前报道的Ti₃C₂T_x性能更好。”本文作者Kanit Hantanasirisakul说，“我们一遍又一遍地重复实验，其性能具有良好的可重复性”。 ^[2]

“这一发现打破了电磁屏蔽领域存在的固有认知，不仅揭示了一种比金属铜更有效的屏蔽材料，更显示了一种令人兴奋的新物理性质的出现”，Yury Gogotsi说，“二维材料与电磁辐射的相互作用方式不同于传统金属，我们需要进一步从根本上了解导电性和元素组成对屏蔽电磁辐射应用的影响。” ^[2]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Anomalous absorption of electromagnetic waves by 2D transition metal carbonitride Ti₃CNT_x (MXene)

Aamir Iqbal, Faisal Shahzad, Kanit Hantanasirisakul, Myung-Ki Kim, Jisung Kwon, Junpyo Hong, Hyerim Kim, Daesin Kim, Yury Gogotsi, Chong Min Koo

Science, 2020, 369, 446-450, DOI: 10.1126/science.aba7977

参考文献：

[1] P. M. Mariappan, D. R. Raghavan, S. H. E. A. Aleem, et al., Effects of electromagnetic interference on the functional usage of medical equipment by 2G/3G/4G cellular phones: A review. J. Adv. Res., 2016, 7, 727-738. DOI: 10.1016/j.jare.2016.04.004

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2090123216300248?via%3Dihub

[2] Drexel and KIST Researchers Discover a New MXene Material's Extraordinary Ability to Block Electromagnetic Interference

https://drexel.edu/now/archive/2020/July/MXene-titanium-carbonitride-EMI-shielding

[3] M. Cao, Y. Cai, P. He, et al., 2D MXenes: Electromagnetic property for microwave absorption and electromagnetic interference shielding. Chem. Eng. J., 2019, 359, 1265-1302. DOI: 10.1016/j.cej.2018.11.051

[4] N. Michael, K. Murat, P. Volker, Two-Dimensional Nanocrystals Produced by Exfoliation of Ti₃AlC₂. Adv. Mater., 2011, 23, 4248-4253. DOI：10.1002/adma.201102306

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201102306

[5] F. Shahzad, M. Alhabe, C. B. Hatter et al., Electromagnetic interference shielding with 2D transition metal carbides (MXenes), Science, 2016, 353, 1137-1140. DOI: 10.1126/science.aag2421

https://science.sciencemag.org/content/353/6304/1137

（本文由小希供稿）