Ультралегкий поглотитель микроволн с повышенной эффективностью поглощения на основе хитозанового аэрогеля

Почему важно блокировать побочные микроволны

От смартфонов и Wi‑Fi‑роутеров до аэропортовых радаров и спутниковых каналов — наш мир наполнен невидимыми микроволновыми сигналами. Хотя эти волны обеспечивают современную связь, они также могут создавать помехи, выдавать присутствие самолётов или оборудования радарам и в крайних случаях представлять риск для чувствительной электроники и здоровья людей. Инженеры поэтому ищут специальные покрытия, которые поглощают нежелательные микроволны вместо того, чтобы отражать их. В этом исследовании описан новый ультралёгкий, губкообразный материал из смеси природных и неорганических компонентов, способный сильно поглощать микроволны в ключевых диапазонах связи и радиолокации.

Перьевая губка для невидимых волн

Исследователи поставили цель создать материал одновременно исключительно лёгкий и высокоэффективный в поглощении микроволн. Отправной точкой стал хитозан — биополимер, получаемый из морских панцирей, который может образовывать плотную, но воздушную губку, называемую аэрогелем. Сам по себе хитозан слишком слаб как поглотитель, но его пористая структура идеально подходит для того, чтобы заставлять микроволны двигаться по извилистым путям, увеличивая вероятность рассеяния их энергии. Чтобы повысить эффективность, команда заполнила этот природный каркас тщательно подобранной смесью из трёх компонентов: полупроводникового соединения (диселенид молибдена, MoSe₂), высокопроводящего углеродного листового материала (восстановленный оксид графена) и слоистого минерального глины (монтмориллонит). В результате получился гибридный аэрогель «полимер/углерод/минерал» с плотностью в миллионы раз меньшей, чем у воды.

Как строится гибридная структура

Для изготовления материала учёные сначала синтезировали наночастицы MoSe₂, затем совместили их с графеновыми листами и слоями глины в воде так, чтобы крошечные чешуйки равномерно распределялись, а не слипались. Отдельно они растворили хитозан в мягкой кислоте, чтобы получить гель, затем вмесили различные количества смеси MoSe₂/графен/глина. Небольшое количество сшивающего агента помогло зафиксировать всё вместе. Наконец, смесь заморозили и удалили лёд вакуумом, оставив жёсткий сильно пористый аэрогель. Съёмка в электронном микроскопе выявила сеть взаимосвязанных пор, с неорганическими слоями, равномерно распределёнными в хитозановом скелете — особенно когда наполнитель составлял около половины сухого вещества.

Улавливание и отвод микроволновой энергии

Ключевой тест — насколько хорошо эти аэрогели поглощают микроволны в диапазонах X и Ku (примерно 8–18 ГГц), широко используемых в радарах и высокочастотной связи. Команда измеряла, какую часть входящего сигнала материал отражает при наличии металлической подложки — строгая модель, имитирующая покрытие на реальном оборудовании. Чистый хитозан продемонстрировал лишь умеренное поглощение. Но при добавлении смеси MoSe₂/графен/глина эффективность резко возросла. Лучшая формула, с примерно 50% наполнителя по массе, уменьшала отражённый сигнал до 72 децибел при толщине всего 2.7 мм — то есть мощность волны падала более чем в десять миллионов раз. Материал также обеспечивал сильное поглощение на ширине 3.8 ГГц, тогда как несколько более насыщенная версия пожертвовала пиковым значением ради исключительно широкого покрытия всего диапазона X и Ku при толщине всего 2.3 мм.

Почему эта губка работает так хорошо

Успех аэрогеля объясняется сочетанием нескольких эффектов, рассеивающих энергию. Во‑первых, лабиринт пор заставляет микроволны многократно отражаться внутри, увеличивая путь распространения и вероятность потерь. Во‑вторых, контраст между полимером, проводящим графеном, полупроводниковым MoSe₂ и диэлектрической глиной создаёт бесчисленные мелкие интерфейсы, где заряды смещаются при прохождении волны, превращая электромагнитную энергию в тепло. В‑третьих, графен и MoSe₂ обеспечивают пути для перемещения зарядов, усиливая электрические потери, но не делая материал настолько проводящим, чтобы волны просто отражались с поверхности. Слоистая структура глины помогает удерживать остальные листы разнесёнными и хорошо распределёнными, что максимизирует активную поверхность. Расчёты и моделирование подтверждают, что эти совокупные механизмы обеспечивают аэрогелям отличное «согласование импеданса», позволяя микроволнам легко входить и затем ослабляться глубоко внутри.

Скрытие металлических объектов от радара

Чтобы исследовать, как материал может работать в реальных условиях, учёные смоделировали металлическую сферу — идеализированную модель радиолокационной цели — покрытую слоем их аэрогеля толщиной 2.3 мм. Они рассчитали эффективную площадь рассеяния (RCS), меру того, насколько объект выглядит великому радару, и силу рассеянного электрического поля вокруг него. По сравнению с непокрытой металлической сферой, покрытые образцы показали снижение видимой площади на 30–60 децибел по диапазонам X и Ku, а также падение рассеянного поля более чем на 30 децибел во многих направлениях. Проще говоря, покрытие делает металлический объект для радара значительно меньше и тусклее, при этом добавляя лишь незначительный вес.

Что это значит для будущих устройств

В целом исследование демонстрирует, что сочетание возобновляемого биополимера с тщательно подобранными нанонаполнителями может дать ультралёгкое, тонкое покрытие, эффективно поглощающее микроволны в технологически важных частотных диапазонах. Оптимизированные аэрогели MoSe₂/графен/глина‑хитозан превосходят ранние версии на похожих ингредиентах и составляют конкуренцию многим более тяжёлым и сложным поглотителям. Поскольку хитозан получают из обильных морских отходов, а процесс проводится при относительно мягких условиях, такие материалы могут предложить более экологичный путь к экранированию чувствительной электроники, снижению электромагнитного загрязнения и даже маскировке компонентов в будущих системах связи и радиолокации.

Цитирование: Dehghani-Dashtabi, M., Hekmatara, H. & Mohebbi, M. ‌Ultralight microwave absorber with an enhanced absorption performance based on chitosan aerogel. Sci Rep 16, 9475 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40116-2

Ключевые слова: поглотитель микроволн, аэрогель, хитозан, электромагнитное экранирование, радиолокационная невидимость