电子科技大学《自然·通讯》：新型离子液体聚合物微波调制表面，可动态调节电磁性能助力智能隐身技术

在复杂多变的现代电磁环境中，雷达与通信系统对能够实时、动态调节自身电磁性能的“主动”器件的需求日益迫切。然而，当前制造大面积、高性能的主动微波调控表面仍面临巨大挑战，现有技术往往受限于可调范围窄、调控机制单一或难以大面积制备等问题。

近日，电子科技大学陆海鹏研究员、国防科技大学楚增勇研究员和新加坡科技研究局(A*STAR)Luo Tao合作，成功开发出一种基于离子液体聚合物的自适应微波调制表面。该材料利用温度变化诱导氢键网络断裂与重建，驱动离子液体的定向运动与电荷迁移，从而在微波频率下实现介电性能的灵活调控。结合机器学习算法，研究者建立了温度、离子液体浓度与介电常数之间的关联模型，设计出可重编程的微波调制表面。该表面仅2毫米厚即可在不同温度下实现“关闭-开启”或“开启-关闭”两种吸收模式的切换，并展现出宽频带、强吸收的特性。此外，通过3D打印技术，团队还实现了像素化表面与自感知功能的集成，为下一代智能电磁器件的发展提供了新思路。相关论文以“Adaptive ionic liquid polymer microwave modulation surface with reprogrammable dielectric properties”为题，发表在

Nature Communications

研究团队通过一系列实验与模拟揭示了该材料电磁调控的内在机制。示意图直观展示了离子液体聚合物在热刺激下，氢键网络断裂导致离子液体被释放，其偶极取向运动与电荷迁移能力发生显著变化，从而调控材料的介电性能。宏观形态显示材料具有良好的柔韧性。开尔文探针力显微镜结果证实，温度变化并未改变材料厚度，但表面电势升高，表明高温下表面功函数降低，自由电荷载流子浓度增加，极化能力增强。密度泛函理论计算的差分电荷密度图从电子层面揭示了氢键断裂的过程。分子动力学模拟进一步统计了不同组分间的氢键密度，发现随着离子液体浓度增加，其与聚合物之间的氢键密度降低，而离子液体内部氢键密度增加，这意味着系统中自由离子液体比例升高，直接影响介电调控能力。扩散系数的显著提升则直接证明了氢键断裂后离子液体迁移率的大幅增强，为电磁性能的剧烈变化提供了动力学依据。

图1 | IL-P中的电磁调控机制。 a 基于IL-P的电磁性能调制示意图。b IL-P在30°C和130°C下的宏观形貌。c 30°C和130°C下IL-P薄膜的KPFM图像。d 30°C和130°C下IL-P薄膜的厚度和表面电势。e IL-P体系中的氢键网络和差分电荷密度，等值面值：0.02 e/ų。f 不同IL浓度的IL-P体系中各组分间的氢键密度。g 不同温度场下IL的分子动力学扩散系数。

为了更精确地阐释电磁性能切换机制，研究者选取代表性样品进行了深入分析。原位变温傅里叶变换红外光谱显示，在30至130摄氏度的循环中，-OH和-NH₃等基团的红外透射峰同步增减，证实氢键网络发生了断裂与重建。二维同步谱中的强自相关峰进一步凸显氢键网络破坏是热刺激下最显著的变化。依据诺达规则对同步与异步谱的分析，揭示了各基团对氢键断裂贡献的先后顺序。低场核磁共振的弛豫时间谱表明，聚合物主链的弛豫运动受交联网络限制，而离子液体中-NH₃基团的T₁和T₂弛豫时间在热刺激下发生了数量级的增长，这标志着离子液体动态状态的剧烈改变，直接影响其在微波频率下作为偶极子和电荷载流子的行为。介电性能测试表明，离子液体的引入极大地增强了材料的介电常数实部和虚部，其调控机制主要源于离子电导率贡献的显著提升。

图2 | [EtA⁺][NO₃⁻]在PHEA中的迁移性对电磁性能的影响。 a 热刺激下IL-P-2的原位FTIR光谱。b, c 变温FTIR同步和异步相关谱。d 不同温度刺激下IL-P-2在低场核磁中的T₁和T₂谱。e, f 30°C和130°C下的二维低场¹H NMR谱。g IL-P-0和IL-P-2的介电常数实部(ε′)。h IL-P-0的介电损耗拟合结果。i IL-P-2的介电损耗拟合结果。j 温度刺激对IL-P的ε″的作用机制。

基于对上述调控机制的理解，研究者通过调节离子液体浓度，实现了对微波吸收性能的程序化设计。在10 GHz频率下，材料的介电常数实部、虚部及损耗角正切均随离子液体浓度和温度升高而增加，而磁导率基本不受影响，这意味着微波传输行为几乎完全由介电性能调控。机器学习模型被用于高精度预测不同条件下的电磁参数，从而指导设计了两类可切换微波吸收表面：一类在升温时因衰减系数急剧增大而实现从“关闭”到“开启”的强吸收切换；另一类则因升温导致阻抗失配，实现从“开启”到“关闭”的反射切换。这两种表面均展现出宽的有效吸收带宽和极大的反射损耗调节范围，且经过高低温循环测试，表现出极佳的稳定性。

图3 | 由不同IL浓度IL-P构成的可重编程微波吸收表面。 a-c 不同温度刺激下，IL-P在10 GHz处的ε′、ε″和tan δₑ。d 不同温度刺激下，IL-P在10 GHz处的tan δₑ，右上角插图为衰减系数。e 基于机器学习算法对多变量耦合条件下电磁参数和反射损耗的建模与预测（虚线：预测值，实线：实际值）。f, g 展示两种模式（关闭-开启、开启-关闭）微波吸收性能的示意图及对应反射损耗曲线。

研究还展示了该技术在大面积可调表面的应用潜力。由柔性离子液体聚合物构成的像素化表面，通过独立控制每个像素单元的温度，能够动态形成不同的微波反射率图案，为实现主动伪装系统提供了可能。雷达散射截面测试结果进一步证实，该材料能显著调控目标在不同温度下的电磁散射特征，在飞机模型上的仿真也展示了优异的RCS调控能力。此外，材料本身具备优异的压敏特性。通过3D打印制备具有微锥结构的传感器，其灵敏度与重复性俱佳。将此类传感器阵列与卷积神经网络-Transformer混合模型结合，集成于自适应表面中，可实现对表面所受冲击位置的实时、精准定位与识别，赋予表面“自感知”的健康监测功能。

图4 | 大面积可切换微波调制表面。 a 大面积柔性IL-P演示。b 单个2 mm厚、10×10 cm面积的IL-P-2在不同温度下的远场扫描微波反射图像。c, d 由3×3阵列单元在不同温度配置下，通过扫描微波反射形成的像素化微波吸收表面图像。e-g 面积为10×10 cm的2 mm厚可切换微波吸收表面的单站RCS结果。

图5 | 由IL-P传感性能与CNN-Transformer混合学习技术实现的结构健康监测。 a 不同IL浓度IL-P的传感能力。b 不同微结构IL-P-2的传感能力。c, d IL-P-2-T-2的动态响应曲线及响应/恢复时间。e IL-P-2-T-2在1000 Pa压力下动态响应的重复性。f 基于CNN-Transformer混合模型的IL-P-2-T-2传感器阵列自感知识别原理。g 测试集分类结果的混淆矩阵。

综上所述，这项研究成功制备出一种基于离子液体聚合物的柔性自适应微波表面，通过热控氢键动态调控离子液体的迁移与极化，在微波频段获得了高度可调的介电性能，并利用机器学习实现了性能的可编程设计。所展示的像素化调制、雷达隐身及结构健康自感知等多种集成功能，充分展现了该材料在主动伪装系统、可重构天线、自适应滤波器等下一代智能电磁设备中的巨大应用潜力。这项成果为发展高性能、多功能的智能电磁材料与器件提供了全新的思路和坚实的平台。