山东理工：受“吹糖人”启发制备丝瓜状气凝胶，实现电磁波吸收

成果简介

"吹糖人 "是我国一种珍贵的传统民间艺术。它以糖为主要原料，能工巧匠们用手指挤压气囊，将气体吹入柔软的糖体，糖体在压力作用下膨胀，然后做出艺术造型，制作出一种形态各异、趣味无穷的糖果。在这个过程中，内部的孔洞结构就形成了。需要注意的是，融化的糖还会通过化学反应变成焦糖。受到吹糖艺术的启发，如果在焦糖化反应的同时能在内部产生大量气体，再结合适当的机械强度进行发泡，就形成了多孔材料。如果在预发泡阶段加入纳米颗粒，这些颗粒有望在发泡膨胀过程中均匀分散。

因此，受到吹糖艺术的启发，本文，山东理工大学Songsong Wu、哈尔滨工业大学Guangwu Wen、黄小萧等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Divalent metal-ions blowing strategy achieved 3D luffa aerogels heterostructure for lightweight broadband microwave absorber”的论文，研究设计并开发了 MCB 策略，用于三维丝瓜状气凝胶异质结构。在此基础上，本文设计开发了 MCB 策略，以实现三维丝瓜气凝胶异质结构，并实现了具有介电、磁性和多孔界面的丝瓜泡沫分层构型。与传统的糖发泡工艺不同，作者选择了二价金属离子来促进葡萄糖聚合，使凝胶具有一定的发泡强度，并选择硝酸盐来提供发泡力，以塑造丝瓜气泡的分层构型。

这种分层三维轻质气凝胶有利于构建有效的阻抗匹配网络（2.4 wt%），并表现出优化的极化弛豫。因此，在厚度为 3 毫米的情况下，Luffa 气凝胶的 EAB 可拓宽至 8.0 GHz，同时覆盖 50% 的 X 波段（8-12 GHz）和整个 Ku 波段（12-18 GHz）。此外，MCB 策略还适用于多种二价金属离子（Co2+、Ni2+、Mn2+、Zn2+ 等）。这种 MCB 方案将为开发超轻、超强的 EWA 材料提供新的途径。同时，这种通用、简单、高效、可控的 MCB 策略为设计和生产具有分层构型的复合材料提供了一种实用的方法。

图文导读

图1.3D丝瓜气凝胶界面极化及合成路线示意图

图2.（a，b）PZC-1，（c，f）PZC-2，（e，f）PZC-3的SEM图像。（g） 透射电镜图像。（h，i）PZC-3 的高分辨率 TEM 图像。

图3.N2（a） PZC-1、（b） PZC-2、（c） PZC-3的吸附-脱附等温线

图4.（a） PZCs复合材料的XRD照片。（b） PZCs复合材料的拉曼光谱。PZC-1、PZC-2、PZC-3的XPS谱图：（c）全光谱，（d）Zn 2p和（e）C1s。（f） PZC的TG曲线

图5 、显示了 2–18 GHz 频率范围内不同匹配厚度下的 RL 值

图6.PC和其他复合材料的EWA特性

图7.CST 模拟结果

图8.PZC吸波机理示意图

小结

在这项工作中，基于新开发的吹糖技术，通过金属离子辅助焦糖吹制（MCB）策略，成功开发出了三维丝瓜气凝胶异质结构。这种分层三维轻质气凝胶有助于构建有效的阻抗匹配网络（2.4 wt%），并表现出优化的极化弛豫。因此，Luffa 气凝胶的有效吸收带宽（EAB）覆盖了整个 X 波段和整个 Ku 波段，并在 C 波段实现了 -49.00 dB 的 RLmin。分层配置和异质界面的有效性得到了证实，从而打破了阻抗匹配不良和介质损耗增加的困境。这种三维 Luffa 气凝胶将为超轻 EWA 材料的研发提供一个新的视角。更重要的是，MCB 策略可适用于多种二价金属离子（Co2+、Ni2+、Mn2+、Zn2+ 等）。这种多功能、简单、高效、可控的 MCB 策略为设计和生产具有层次构型的复合材料提供了一种实用的方法。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.118787