我国团队开发伽马射线屏蔽纳米材料

来源：滚动播报

（来源：中国航空报）

　　随着深空探测和载人航天的快速发展，如何在复杂宇宙射线场中实现高效、轻质、低二次辐射的伽马（γ）射线防护，已成为材料领域的关键挑战。现有研究往往难以同时兼顾衰减效率、面密度/厚度、柔韧性以及二次γ射线抑制。针对上述难题，北京化工大学刘勇团队联合吉林大学王策团队、清华大学胡平团队在Nanomaterials期刊发表综述，系统总结了γ射线屏蔽纳米材料的研究进展，重点面向深空及混合辐射环境，提出了多层/梯度结构、微纳填料协同、纤维网络等多尺度结构设计策略，用于抑制二次γ射线，并勾勒出面向柔性、可穿戴、无铅屏蔽体的成分—结构—形貌耦合设计路线。该综述还系统梳理了蒙特卡罗模拟工具与实验的协同方法，为下一代无铅γ射线屏蔽可穿戴材料提供了设计规则和规模化路径。综述内容

　　研究围绕γ射线屏蔽材料的设计与应用，从三个方面展开：γ射线与物质的相互作用机制及材料选用的物理基础；候选元素（铅、铋、钨、稀土）的屏蔽性能、工程适用性及多元素协同策略；复合材料（尤其是聚合物基）的研究进展，涵盖纳米填料效应、多层/梯度结构、纤维织物网络等结构设计对抑制二次γ射线和保持柔性的作用。

　　第一方面，γ射线与物质的相互作用机制。γ射线与物质的相互作用主要有光电效应、康普顿效应、电子对效应和相干散射，其中前三者贡献最大。在低能区（约30~200 keV）光电效应占主导，高原子序数（Z）材料吸收能力强；中能区（200~1000 keV）康普顿散射为主，依赖于材料的电子数密度；高能区（＞1.02 MeV）电子对效应成为主要机制，其发生概率与Z2成正比。因此，提高材料的原子序数和密度是γ

射线屏蔽设计的核心思路，高Z元素成为主要候选对象。

　　第二方面，候选元素选择与工程考量。综述从屏蔽性能、毒性、加工性、吸收边特性以及供应链稳定性、可回收性和成本等维度，系统比较了铅、铋、钨、稀土元素。铅虽廉价、回收成熟、屏蔽性能优异，但存在明确的神经毒性且受严格环保法规限制；铋被认为是“绿色重金属”，其氧化物Bi2O3在混凝土和环氧体系中与铅的屏蔽能力相当，但铋几乎全部为伴生矿，供应弹性小且价格较高；钨密度高、对高能γ射线屏蔽能力强，但加工困难且被列为关键矿产，供应链风险高；稀土元素可利用其K吸收边补偿铅、铋的弱吸收区，从而拓宽复合材料的有效屏蔽能量范围，但开采分离过程复杂且价格波动大。综述强调，实际应用中需根据具体能区要求和工程约束，选择合适的元素组合或进行多元素协同设计。

　　第三方面，复合材料研究进展。在介绍各类复合材料之前，综述首先点明蒙特卡罗模拟工具（如MCNPX、Geant4、XCOM等）的关键作用：多数研究中模拟得到的质量衰减系数、半值层与实验数据吻合良好，能缩短材料开发周期、降低辐射实验风险。在此基础上，聚合物基复合材料（环氧、橡胶、聚烯烃、乙烯基聚合物等）因其轻质、易加工和可设计性强，成为重要载体。在聚合物基体中添加高Z纳米填料（如MgO、Bi2O3、WO3）相比微米填料分散更均匀，尤其在低能区可显著提升屏蔽效率。例如，环氧树脂中加入纳米MgO后，半值层随填料含量增加而明显降低，且纳米体系的屏蔽性能优于微米体系；橡胶基复合材料也显示出高Z纳米填料的优势，并天然适用于防护服、手套等可穿戴场景。

　　然而，高Z材料在屏蔽过程中可能因非弹性散射或辐射俘获产生二次γ射线，削弱综合防护效果。为抑制二次γ射线，综述提出了多层/梯度结构策略：将不同吸收边的材料组合，可拓宽有效屏蔽能量范围。例如，将WO3层（K吸收边69.5keV）与CeO2层（K吸收边40.449keV）组合，使高能光子先经钨衰减、再被铈进一步吸收，实现吸收边互补，增强宽能区的整体衰减效率。此外，纤维织物网络是另一类重要结构设计：采用钨单丝/钨合金纤维作为纬纱、化学纤维或天然纤维作为经纱，可制备兼具抗冲击性和良好屏蔽性能的织物，既能单独使用也可作为复合材料的增强体，有效缓解传统钨材料因密度过高而导致的柔性不足问题。上述结构设计在抑制二次γ射线的同时，维持了材料的柔性与衰减效率。

研究总结及展望

　　本综述系统回顾了面向深空和复杂辐射环境的γ射线屏蔽纳米材料的研究现状，并从成分、结构、形貌三个耦合维度总结了设计策略，明确提出：单纯增加高Z填料含量已无法满足工程需求。未来的发展方向包括：多能区整体设计与二次辐射抑制，利用吸收边协同和梯度多层结构；多尺度结构（核壳、纤维网络、多孔/蜂窝）与多物理场耦合；柔性、可穿戴及可重构系统，引入自修复或形状记忆聚合物以及低熔点石蜡基可塑屏蔽体；可持续制造、数据驱动筛选和标准化评价体系；跨学科协作与工程示范。该综述为开发用于航空航天和医疗防护的下一代轻质、柔性、无铅γ射线屏蔽材料提供了系统的理论依据和设计路线图。 （逸文）