蜂窩，又叫蜂巢，是蜂群活動(dòng)和繁殖的地方，也常引申為蜂窩狀的多孔物體，如蜂窩電話、蜂窩結(jié)構(gòu)等。

蜂巢由很多房孔組成，每個(gè)都是正六角形，每?jī)蓚€(gè)房孔之間會(huì)有一堵蠟制的墻，所有房孔的底都是尖的，這個(gè)底由三個(gè)完全一樣的菱形組成。

據(jù)測(cè)量菱形的兩個(gè)銳角都是 70°，兩個(gè)鈍角則都是 109°，并且全世界所有蜂窩均按照上述規(guī)則建造。

這樣的結(jié)構(gòu)，讓蜂窩可同時(shí)具備高強(qiáng)度和低重量，并且還能隔音和隔熱。借助這一大自然的奇妙法則，很多人造衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機(jī)都采用蜂窩結(jié)構(gòu)。

蜂窩狀多孔石墨烯材料誕生，電磁屏蔽材料迎來(lái)新成員

受蜂窩結(jié)構(gòu)啟發(fā)，清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授聯(lián)合制備出一種蜂窩狀多孔石墨烯（HPG）材料，主要利用的原材料為聚酰亞胺薄膜，并主要采用了激光刻劃技術(shù)。

相關(guān)論文以《受蜂窩啟發(fā)的多功能石墨烯微結(jié)構(gòu)用于超高性能電磁干擾屏蔽與可穿戴應(yīng)用》 （Multifunctional Graphene Microstructures Inspired by Honeycomb for Ultrahigh Performance Electromagnetic Interference Shielding and Wearable Applications） 為題發(fā)表在 ACS Nano 上。

其中，任天令和該校楊軼副教授、以及清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院張盛副教授，為共同通訊作者，任天令課題組徐建東博士為第一作者。

當(dāng)前，對(duì)于自動(dòng)駕駛、5G 電信傳輸、國(guó)防軍工、航空航天、智能可穿戴設(shè)備等應(yīng)用場(chǎng)景的穩(wěn)定運(yùn)行來(lái)說(shuō)，電磁屏蔽扮演著 “扛把子” 角色。

任天令告訴 DeepTech，隨著物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛、可穿戴設(shè)備的發(fā)展，電路越來(lái)越復(fù)雜，無(wú)論是汽車的中控集成式系統(tǒng)、高性能音響系統(tǒng)，還是體積越來(lái)越小的 5G 通信設(shè)備（手機(jī)及基站），或是要求精度越來(lái)越高的儀器儀表，要保證這些電子設(shè)備的正常運(yùn)行，電磁干擾屏蔽至關(guān)重要。

而電子設(shè)備工作時(shí)，既不希望被外界電磁波干擾，又不希望自身輻射出電磁波干擾外界設(shè)備及危害人體健康，所以需要阻斷電磁波的傳播路徑，因此自身產(chǎn)生的電磁波需要被吸收，而外界入射的電磁波需要被反射或吸收，這就使得不同屏蔽機(jī)制的電磁干擾屏蔽材料可用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

傳統(tǒng)的金屬如銅和鋁等是常用的電磁屏蔽材料，但它們易被腐蝕、密度過(guò)高，并且以反射電磁波為主，這會(huì)造成二次污染，因此其應(yīng)用場(chǎng)景受到限制。因此在便攜式可穿戴設(shè)備和航空航天材料中，具備優(yōu)異力學(xué)性能和超低密度的電磁屏蔽材料，才是真正的剛需。

基于此，任天令等人使用石墨烯、MXenes（過(guò)渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物）和金屬納米線，探索具備超低密度、超高電磁屏蔽性能和優(yōu)異力學(xué)性能的復(fù)合物。

該石墨烯材料內(nèi)部模仿蜂巢結(jié)構(gòu)，由微孔結(jié)構(gòu)和豐富的石墨烯邊緣和界面組成，能使得入射電磁波被多次反射和吸收，適合用于超高性能電磁屏蔽應(yīng)用。

據(jù)悉，通過(guò)激光功率密度調(diào)控，單片蜂窩狀多孔石墨烯材料的厚度可達(dá) 25-50 μm，而一片厚度為 48.3 μm 的多孔石墨烯的 SSE 為 1160 dB?3/g，SSE/t 為 240123 dB?2/g，比常見(jiàn)的碳基、MXene、以及金屬材料等高出許多倍，而密度僅有 0.0388 g/3。

把銀納米線（AgNWs）旋涂到石墨烯蜂窩孔表面，蜂窩狀多孔石墨烯材料和銀納米線便可組成一種復(fù)合膜，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在 X 波段，該復(fù)合膜的電磁屏蔽效能，可從蜂窩狀多孔石墨烯材料的 41.2 dB 增加到 61 dB，隨著蜂窩狀多孔石墨烯材料層數(shù)的增加，復(fù)合膜的屏蔽效能也會(huì)增加到 110 dB。

通過(guò)測(cè)試證明銀納米線的加入可顯著提高蜂窩狀多孔石墨烯材料對(duì)于電磁波的反射能力。因?yàn)椋尤脬y納米線之后，蜂窩狀多孔石墨烯材料的電導(dǎo)率提高至 2605.4 S/m，相比之下旋涂 MXene 后，電導(dǎo)率只有 398 S/m。

關(guān)于制備步驟，任天令表示一共有四步：

首先，搭建一個(gè)帶有激光頭的直寫系統(tǒng)；

其次，將商用的聚酰亞胺薄膜放置于激光頭的下方一定位置處；

然后，設(shè)計(jì)一個(gè)想要得到的圖案，并將圖片導(dǎo)入計(jì)算機(jī)內(nèi)控制激光直寫系統(tǒng)的軟件；

最后，設(shè)置軟件的特定參數(shù)后，即可啟動(dòng)軟件控制激光頭按照所導(dǎo)入的圖案進(jìn)行劃刻。待一定時(shí)間劃刻完成后，即可在聚酰亞胺表面得到蜂窩狀石墨烯。

談及研究中使用的激光刻劃技術(shù)，任天令告訴 DeepTech：“這指的是使用計(jì)算機(jī)精確操控激光頭的劃刻路徑，在激光頭劃刻材料的表面后，由于高能激光的局部光熱效應(yīng)，使得材料內(nèi)部的化學(xué)鍵斷裂，從而在其表面原位生成另一種材料。”

研究中，該團(tuán)隊(duì)分別采用功率密度為 16、80、85、90 和 95 mW/2 的激光，在薄膜上制備蜂窩狀多孔石墨烯材料。

他們發(fā)現(xiàn)，功率的增加、也會(huì)讓蜂窩狀多孔石墨烯材料的蜂窩孔直徑出現(xiàn)增加，這是因?yàn)楣β试酱螅谔囟〞r(shí)間內(nèi)碳化形成的氣體就越多，蜂窩孔直徑就會(huì)跟著增大。

SEM 掃描電鏡圖顯示，蜂窩狀多孔石墨烯材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是一種蜂窩三維網(wǎng)絡(luò)，這能降低材料密度，并增強(qiáng)電磁屏蔽性能。

而且，只需在計(jì)算機(jī)中輸入想要的圖案，就能訂制出想要的蜂窩狀多孔石墨烯材料，甚至可以做出刺繡圖案。

關(guān)于這一功能，他表示，這是利用計(jì)算機(jī)中的控制激光頭 X-Y 軸移動(dòng)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，將需要定制的圖案（如刺繡圖案）導(dǎo)入該軟件內(nèi)，軟件通過(guò)識(shí)別圖案的灰度，在激光頭沿 X-Y 軸移動(dòng)的過(guò)程中，在有圖案的地方打開(kāi)激光，而沒(méi)有圖案的地方關(guān)閉激光，從而可以獲得一個(gè)定制化圖案的蜂窩狀石墨烯。

扛得住 1000 次彎曲循環(huán)，電性能 “毫發(fā)未傷”

另?yè)?jù)悉，將石墨烯做蜂窩狀結(jié)構(gòu)的好處在于，材料在面對(duì)彎曲、拉伸、扭轉(zhuǎn)等時(shí)，蜂窩結(jié)構(gòu)可使得應(yīng)力分散，從而避免應(yīng)力集中導(dǎo)致材料疲勞損傷的情況發(fā)生。

因此，即便給蜂窩狀多孔石墨烯材料做了 1000 次彎曲循環(huán)試驗(yàn)，其電性能也絲毫未損。

任天令解釋稱，蜂窩結(jié)構(gòu)有助于分散材料的應(yīng)力，避免材料在受力過(guò)程中由于應(yīng)力集中導(dǎo)致材料的疲勞斷裂或損壞。

此外，蜂窩結(jié)構(gòu)帶來(lái)了超高的電磁屏蔽性能。高密度缺陷和多界面的三維蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中含有豐富的石墨烯邊緣和無(wú)序結(jié)構(gòu)，因此，進(jìn)入材料表面的電磁波會(huì)被蜂窩結(jié)構(gòu)的石墨烯多次反射和吸收，最后以熱能的形式耗散。

與此同時(shí)，蜂窩結(jié)構(gòu)大大降低了材料的密度，使得材料能以超低密度實(shí)現(xiàn)超高電磁屏蔽性能，從而實(shí)現(xiàn)輕量化的電磁屏蔽應(yīng)用，如航空航天和可穿戴電子。

具體來(lái)說(shuō)，蜂窩狀多孔石墨烯材料具備出色的電磁屏蔽性能，并可通過(guò)激光功率密度進(jìn)行調(diào)控：

當(dāng)激光功率處于 80 mW/2時(shí)，其電磁屏蔽性能可達(dá) 20 dB，并能衰減 99% 的電磁干擾，滿足消費(fèi)電子產(chǎn)品的要求完全不在話下；

當(dāng)功率小于 80 mW/2 時(shí)，蜂窩狀多孔石墨烯材料的電磁屏蔽，多以吸收為主；

當(dāng)功率超過(guò) 80 mW/2 時(shí)，蜂窩狀多孔石墨烯材料以反射屏蔽機(jī)制為主。

對(duì)于上述屏蔽機(jī)制，任天令分析稱，通過(guò)調(diào)控激光功率密度，可以獲得不同電磁屏蔽性能的蜂窩狀石墨烯。傳統(tǒng)金屬作為電磁干擾屏蔽材料，其表面電導(dǎo)率高，趨膚深度小，因此其主要是通過(guò)表面對(duì)電磁波的大量反射來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁干擾屏蔽的，這很容易造成電磁波的二次污染。

而以吸收為主的電磁屏蔽材料可以避免電磁波的二次污染，并將電磁波吸收以熱量的形式耗散。

此外，蜂窩狀多孔石墨烯材料的厚度，也會(huì)影響電磁屏蔽性能：?jiǎn)纹?48.3 μm 的蜂窩狀多孔石墨烯材料，在 10 GHz 時(shí)的電磁屏蔽性能大約是 40 dB，這時(shí)它能屏蔽 99.99% 的入射電磁波；當(dāng)把該材料堆疊到 6 層后，電磁屏蔽性能可達(dá) 80 dB，并能衰減 99.999999% 的入射電磁波。

成本價(jià)便宜幾倍，工藝簡(jiǎn)單適合大規(guī)模制備

同時(shí)，該材料成本較低。任天令告訴 DeepTech，蜂窩狀多孔石墨烯材料的原材料為商用聚酰亞胺，尺寸為 50 cm*100 cm 的商用聚酰亞胺薄膜的價(jià)格約為 100 元人民幣（不同厚度上下有浮動(dòng)）。

而市面上由化學(xué)氣相沉積法（CVD）生長(zhǎng)的銅基底多層石墨烯尺寸 5 cm*5 cm 的價(jià)格約為 2000 元（不同質(zhì)量不同廠家有上下浮動(dòng)）。相比之下，蜂窩狀多孔石墨烯材料的優(yōu)勢(shì)可見(jiàn)一斑。

而且與石墨烯的 CVD 生長(zhǎng)技術(shù)相比，該技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、條件溫和可控，制造過(guò)程效率高，因此很適合大規(guī)模制備。不過(guò)任天令也坦言，不同技術(shù)制備的石墨烯各有優(yōu)缺點(diǎn)和用處，不能簡(jiǎn)單地一概而論。

在可穿戴應(yīng)用上，則可用于監(jiān)測(cè)人體呼吸、脈搏、和喉部運(yùn)動(dòng)等微弱生理信號(hào)。使用時(shí)，不需要將其搭載在其他產(chǎn)品上，其本身就是一個(gè)感應(yīng)傳感器，可直接將其貼敷于人體相應(yīng)檢測(cè)部位（如手腕、喉部等）以實(shí)現(xiàn)生理信號(hào)監(jiān)測(cè)。

談及落地，他表示：“項(xiàng)目成果落地、科研成果利國(guó)利民肯定是最好的，但這需要資本的推動(dòng)和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更多的應(yīng)用場(chǎng)景，（我們希望）提高技術(shù)壁壘，打造特色產(chǎn)品。”

原文標(biāo)題：清華大學(xué)激光“刺繡”出蜂窩狀石墨烯材料，屏蔽99.999999%的入射電磁波 ，可低成本大規(guī)模制備 | 專訪

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