北京科技大学AM：双网络离子凝胶纤维，为可穿戴设备提供动态电磁防护新方案

随着5G/6G通信、雷达及智能终端设备的普及，电磁辐射污染已成为威胁人体健康与设备稳定的重要因素。长期暴露于电磁波可能引发组织热效应及神经系统功能障碍，而电磁干扰（EMI）则可能导致电子设备信号中断甚至系统失效。现有防护材料中，传统刚性金属及其氧化物在动态弯折、扭转场景下存在性能衰减缺陷；即便是柔性碳基或金属基材料，也难以兼顾屏蔽效能与机械耐久性，尤其在关节等反复运动部位，材料易因疲劳开裂而丧失防护功能。因此，开发兼具高柔性、高韧性及动态适应性的电磁屏蔽材料成为迫切需求。

针对上述挑战，北京科技大学杨槐教授、王茜特聘副研究员和北京航空航天大学陈科副教授、南京大学陈平副教授、中国科学院上海高等研究院王俊博士合作，提出了一种双网络结构策略，通过可扩展的干法纺丝工艺制备出高性能离子凝胶纤维（HTMI）。该纤维以半结晶羟丙基纤维素（HPC）与聚硫辛酸（PTA）通过氢键网络构成结构骨架，同时引入MXene纳米片与离子液体（[EMI][ES]）构建三维导电网络。所得纤维展现出优异的电磁屏蔽效能（60.6 dB）、高拉伸强度（9.5 MPa）、超过200%的断裂伸长率，并具备自愈合与可回收特性。尤为引人注目的是，由该纤维编织的织物在10%应变范围内，其屏蔽性能可提升高达7.5%，这一反常现象源于拉伸诱导MXene纳米片取向优化了内部导电网络。该工作为下一代静态与动态环境自适应可穿戴电磁防护材料开辟了新路径。相关论文以“Dual-Network Structure in Ionogel Fiber for Enhancing Electromagnetic Interference Shielding and Mechanical Properties”为题，发表在Advanced Materials上。

结构设计与制备

研究团队设计的双网络离子凝胶纤维（简称HTMI）由HPC和PTA构成主体聚合物基体，MXene纳米片（横向尺寸约1.1 μm，厚度约1.6 nm）与离子液体[EMI][ES]作为功能相分散其中（图1a）。HPC作为主结构框架，其丰富的羟基提供柔韧性与机械强度，并通过氢键与其他组分相互作用；PTA的动态二硫键使其在溶液中开环聚合，聚合物链穿插于HPC网络，羧基侧基作为稳定氢键位点形成交联三维超分子网络，赋予纤维高弹性和韧性。离子液体的引入不仅抑制了PTA的自解聚，还通过氢键调节网络密度并贡献离子电导率。MXene纳米片均匀分散于基体中，进一步加强超分子交联，并与离子液体协同形成连续高效的导电网络，从而赋予纤维出色的电磁屏蔽性能（图1b）。

纺丝工艺与宏观性能

制备过程中，将HPC与TA以5:3质量比混合，加入相当于TA含量20 mol%的离子液体，在乙醇中搅拌后迅速形成淡黄色凝胶，随后引入MXene分散液，最终获得固含量25 wt%、粘度约1000 Pa·s的黑色纺丝原液。利用定制干法纺丝装置，以120 mL/h的挤出速率和20 rpm的卷绕速度，在室温下蒸发溶剂，得到连续HTMI离子凝胶纤维（图1c），可卷绕长达20米（图1d）。通过调节MXene负载量（1 wt%至9 wt%）制备了HTMI-1至HTMI-9系列纤维。相比纯HPC纤维和PTA水凝胶体系，HTMI纤维的综合性能显著增强（图1e），其优异的电磁屏蔽性能得益于MXene与离子液体构建的导电网络，出色的机械性能源于HPC分子间氢键的紧密结合，而PTA网络则提升了拉伸性并赋予自愈合能力。更值得注意的是，MXene纳米片在基体中的取向可通过机械拉伸动态调控，从而满足运动状态下的电磁防护需求（图1f）。

图1HTMI离子凝胶纤维的设计概念、制备工艺及多功能特性。（a）HTMI纤维中各组分（HPC、PTA、[EMI][ES]和MXene纳米片）的分子结构示意图。（b）HTMI纤维中双网络结构的示意图。（c）HTMI纤维的纺丝、干燥和收集过程示意图。（d）卷绕在线轴上的20米长HTMI纤维照片。（e）HTMI、HPC和TA纤维在应力、应变、EMI SE、自愈合和回收能力等方面的性能对比。（f）HTMI纤维织物电磁屏蔽性能变化的机制示意图。

微观结构与化学相互作用

扫描电子显微镜（SEM）观察显示，纤维因溶剂快速蒸发（约30分钟）而塌陷成扁平拱形截面，初始圆柱形纤维直径551 μm，最终变为宽474 μm、高57 μm的扁平形状（图2a-2c）。元素面分布图证实PTA和MXene纳米片在复合基体中均匀分散。拉曼光谱验证了TA的成功开环聚合；傅里叶变换红外光谱（FTIR）中，1125 cm⁻¹（S=O）和1573 cm⁻¹（COO⁻）新吸收峰证实离子液体成功引入，且-COOH与[ES]形成氢键，-OH伸缩振动从3509 cm⁻¹移至3471 cm⁻¹，确认了[ES]与HPC间的氢键作用。MXene的加入使COOH峰从1726 cm⁻¹移至1721 cm⁻¹，OH峰从3471 cm⁻¹移至3437 cm⁻¹，有力证明了广泛氢键三维超分子网络的形成。X射线衍射（XRD）分析表明，TA聚合后完全转为非晶态，HPC保持部分结晶性；随MXene含量增加，所有衍射峰向高角度偏移，表明氢键相互作用使分子排列更致密。热重分析显示HTMI在262℃开始分解，流变学测试表明其在150℃以下储能模量始终高于损耗模量，证实了优异的结构稳定性。

氢键网络演化与分子动力学模拟

为进一步探究超分子相互作用的热响应，研究团队采用变温FTIR结合二维相关光谱（2D-COS）分析（图2d-2f）。根据Noda规则和同步/异步交叉峰符号，确定了C=O相关谱带的演化顺序，揭示了离子凝胶纤维形成过程中氢键网络的分层有序构建。微扰相关移动窗口（PCMW）光谱和流变结果表明，适度加热至50℃有利于结构优化，促使氢键网络重组增强。分子动力学模拟显示，在0~3000 ps内，体系氢键数量从约300增至约1000，密度从0.85 g/cm³升至1.25 g/cm³，约3000 ps时达到平衡（图2h）。相互作用能分析表明，MXene纳米片因富含表面官能团，在初期倾向于与聚合物链形成氢键（图2i），与FTIR结果一致；而离子液体结合能相对较弱，在复合基体中迁移性较强，起到动态桥梁作用，促进氢键网络互联和连续导电路径的构建（图2g）。

图2HTMI离子凝胶纤维的结构特征。（a-c）单根扁平HTMI离子凝胶纤维的SEM图像（白色框区域），（a）上表面，（b）下表面，（c）横截面。（d）25°C至150°C记录的C=O伸缩振动区变温FTIR光谱，随温度降低，峰强度逐渐增加且峰位向低波数移动。（e,f）由（d）导出的二维相关光谱，红色区域代表正相关，蓝色区域代表负相关：（e）同步谱；（f）异步谱。（g）HTMI离子凝胶的分子动力学模拟，显示MXene纳米片与两种聚合物及离子液体之间的氢键相互作用。（h）MD模拟过程中氢键数量和体系密度的演化。（i）由MD计算得到的不同组分间相互作用能，显示MXene纳米片与体系中各组分均表现出较高的配对相互作用能。

电磁屏蔽性能与导电性

四探针测试表明，不含MXene的纤维电导率仅0.00055 S/m，而HTMI-1（1 wt% MXene）提升至0.02 S/m，增强35.5倍；随MXene含量增加，电导率逐步升至HTMI-9的0.19 S/m（图3a）。将纤维编织成大面积的柔性织物后（图3b），在X波段（8.2-12.4 GHz）测试显示，厚度2 mm时所有HTMI织物的电磁屏蔽效能（EMI SE）均超过45 dB，HTMI-9达到最高值60.6 dB（图3c）。在2-18 GHz超宽频段内（含S、C、X、Ku波段），不同厚度的HTMI-9织物均表现优异（图3d）。通过计算反射率（R）、吸收率（A）和透射率（T），发现R值在0.7-0.85之间，表明屏蔽机制以反射主导——电磁波入射到织物表面时，阻抗失配导致大部分被反射；未反射部分进入织物后，由MXene和离子液体构成的互联导电网络通过吸收和多重散射耗散剩余能量，最终透射功率不足入射强度的0.0001%。所有厚度织物（除0.5 mm的HTMI-1外）均超过20 dB的商业通用要求。与已报道的MXene基水凝胶和离子凝胶材料相比，HTMI织物在较低MXene负载（<10 wt%）和小厚度（≤2 mm）下实现了领先的60.6 dB屏蔽效能（图3e）。由于聚合物基体有效隔离氧气，HTMI-9织物在存储32周后仍保持初始屏蔽性能的78.8%。

动态应变下的反常屏蔽增强

针对可穿戴设备在人体运动中的防护需求，研究团队测试了0.5 mm厚单层HTMI织物在0-30%拉伸应变下的EMI SE（图3f）。结果显示，所有织物在30%应变时仍保持高于10 dB的屏蔽效能，HTMI-7和HTMI-9仍超过20 dB。令人惊讶的是，所有HTMI织物的EMI SE均呈现先增后减的趋势，HTMI-1在10%应变时最大增强达7.54%，这与传统凝胶材料随应变增加屏蔽效能单调下降的规律截然不同。随MXene含量增加，屏蔽峰值逐渐向更低应变（从10%移至5%）偏移，反射损耗随应变持续增加。同时，纤维电导率随应变增至30%时提高了约0.5%（图3g）。

图3HTMI离子凝胶织物的电磁屏蔽性能。（a）不同MXene含量的HTMI纤维的电导率。（b）厚度为0.5 mm的手工编织HTMI-5织物照片。（c）厚度为2 mm的HTMI织物的SEA、SER和SET值，显示SEA和SET随MXene含量增加显著提高。（d）不同厚度HTMI织物的电磁屏蔽性能。（e）HTMI离子凝胶与已报道的MXene基凝胶材料在电磁屏蔽性能和厚度方面的对比（数据见表S3）。（f）不同MXene含量的HTMI织物（厚度0.5 mm）的EMI SE随拉伸应变的变化。（g）HTMI纤维电导率随拉伸应变的变化，显示所有纤维电导率随应变增加而单调上升。

拉伸诱导MXene取向与动态调控机制

为揭示这一反常现象，研究团队利用二维广角X射线散射（2D WAXS）研究了拉伸过程中MXene纳米片的取向行为（图4a）。未拉伸纤维因溶剂蒸发诱导的轻微自沉降，已存在一定初始取向；施加10%-30%拉伸应变后，衍射环发生显著取向变化。方位角积分曲线（图4b）计算得Herman取向因子从初始的0.71逐渐增至0.75（30%应变），MXene特征峰和聚合物半结晶峰强度增加，半高宽减小（图4c），表明HPC、PTA纳米晶域及MXene纳米片沿拉伸方向逐渐取向。小角X射线散射（SAXS）结果证实拉伸导致离子凝胶网络致密化。偏振拉曼光谱进一步验证了取向变化（图4d），随应变从0%增至30%，取向参数 从0.20升至0.401，Krenchel取向因子η₀从0.624升至0.711（图4e）。纳米级X射线计算机断层扫描（nano-CT）三维重构显示未拉伸状态纳米片已存在轻微择优取向（图4f）；模拟结果表明初始角度为50°的纳米片旋转最大，应变诱导偏转可达18°（图4g）。基于上述结果，研究团队进一步计算了拉伸前后HTMI-5织物的折射率——实部n'从28.7增至34.6，虚部n''先从7.2增至8.9后降至4.1（当 从0.2增至0.4）（图4h、4i）。n'的增加表明MXene取向优化了导电网络，增强了对电磁波的反射和多重反射损耗；n''的增加则归因于纳米片重排过程中产生大量微孔，形成众多新界面，在交变电场下电荷易于界面累积，产生强界面极化，同时微孔促进带电粒子迁移和偶极旋转，增强导电损耗和德拜弛豫损耗——多重因素协同导致小形变下屏蔽增强。当应变进一步增大（10%-30%），原有微孔逐渐合并消失，导电通路减少，屏蔽效能随之下降（图4j）。

图4拉伸诱导MXene纳米片取向动态调控离子凝胶纤维电磁屏蔽性能。（a）HTMI-5在0%和30%应变下的2D WAXS图案。（b）由2D WAXS图案得到的方位角积分强度曲线，可直接观察到MXene纳米片的取向过程。（c）HTMI-5的散射强度随衍射角（2θ）的变化。（d）不同应变下归一化A₁g峰强度随偏振角变化的拟合曲线，显示近90°和270°处峰强度随应变增加逐渐减弱。（e）取向参数 、 和η₀随施加应变的变化，显示 和η₀均单调增加。（f）通过nano-CT三维重构的离子凝胶纤维内MXene纳米片空间分布。（g）模拟的不同施加应变下MXene纳米片相对于其初始取向的偏转角。（h）不同应变下HTMI-5的计算折射率。（i）HTMI-5折射率与取向因子 的关系。（j）织物电磁屏蔽变化的机制示意图。

力学性能与自愈合特性

力学测试表明，HTMI纤维的拉伸强度和断裂伸长率随MXene含量增加而提升（图5a），HTMI-9的拉伸强度达9.5 MPa，断裂伸长率超过200%，杨氏模量达8.8 MPa，韧性达14.7 MJ/m³（图5b）。单根纤维可轻松提起100 g砝码并循环摆动（图5c），展现出色的机械鲁棒性。分子动力学模拟对比了单网络（HPC/MXene/IL）和双网络（HPC/PTA/MXene/IL）体系在断裂瞬间的组分分布和应力分布（图5d-5g）。单网络体系中HPC和MXene呈明显团簇结构，应力集中显著；双网络体系中PTA的引入改善了组分分布均匀性，使应力分布更均匀，有效缓解应力集中，从而大幅提升纤维的韧性和抗断裂能力。在耐久性方面，纤维在800次10%固定应变循环中电阻保持稳定（图5i），展现优异的抗疲劳性能。该纤维易于集成至日常服装中，例如夹在PTFE层和棉织物层之间作为冲锋衣的内衬，在提供电磁防护的同时保持穿着舒适性（图5h）。更值得关注的是，双网络结构中的可逆二硫键赋予纤维显著的自愈合能力——切断后的纤维在室温下接触后，氢键和二硫键协同作用使断面迅速重新结合（图5j），恢复力学完整性和导电功能。同时，该离子凝胶纤维可通过溶剂溶解和再纺丝实现完全回收再利用，显著降低了废弃处理的环境压力。

图5离子凝胶纤维的力学性能、自愈合及可回收性。（a）不同MXene含量的HTMI纤维的应力-应变曲线。（b）HTMI纤维的杨氏模量和韧性随MXene含量的变化。（c）单根HTMI纤维提起100 g铁砝码并进行循环摆动展示机械鲁棒性。（d）仅含HPC/MXene/IL的单网络体系在断裂瞬间的组分分布；蓝色圆圈指示团簇结构。（e）含HPC/PTA/MXene/IL的双网络体系在断裂瞬间的组分分布。（f）单网络体系断裂时x-y和x-z截面上的应力分布图；x-y截面对应于图5a中的局部区域（绿色虚线），x-z截面对应于图5a中的局部区域（黑色虚线框）。（g）双网络体系断裂时x-y和x-z截面上的应力分布图；x-y截面对应于图5b中的局部区域（绿色虚线），x-z截面对应于图5b中的局部区域（黑色虚线框）。（h）将HTMI织物集成于日常服装的示意图。以冲锋衣为例，HTMI织物层夹在PTFE层和棉织物层之间，在提供有效电磁防护的同时保持穿着舒适性。（i）电学耐久性测试：在10%固定应变下800次循环中的电阻变化。（j）HTMI纤维切割-自愈合过程的示意图，主要由二硫键驱动，氢键作为辅助相互作用。

总结与展望

该研究成功开发了一种基于双网络结构的HTMI离子凝胶纤维，通过HPC/PTA氢键骨架与MXene/离子液体导电网络的协同设计，同步实现了超高电磁屏蔽效能（60.6 dB）、优异力学性能（9.5 MPa强度、>200%伸长率）、自愈合及可回收特性。尤为重要的是，研究揭示了拉伸诱导MXene纳米片取向导致屏蔽效能反常提升的物理机制，为动态环境下电磁防护材料的设计提供了全新思路。该纤维可通过干法纺丝大规模制备，并编织成透气、柔性的织物，易于集成至日常服装中，兼具防护性与穿着舒适性。这一成果为下一代可穿戴、自适应、高性能电磁防护材料的发展奠定了坚实基础，在人体健康保护、精密电子设备安全及国防军工等领域展现出广阔的应用前景。