定向扩散定制界面应变-极化耦合以实现宽带电磁吸收

为何看不见的波与日常生活息息相关

我们的家、办公室和城市被来自手机、WiFi 路由器、基站和雷达系统的看不见无线信号充斥着。虽然这些电磁波支撑着现代通信，但它们携带的大部分能量未被利用，可能引起电子干扰、安全隐患和公众担忧。本研究探讨了一类新材料，能够在宽频段静默地吸收这些杂散信号并将其转化为无害的热，从而为更清洁、更可靠的无线环境提供途径。

把微观问题变为有用工具

当不同材料接触时，其原子层通常无法完美匹配。这种不匹配在共享边界处产生微小的机械应力，称为应变。在许多器件中，这类应变被视为麻烦，因为它会扰乱电子的运动。本文作者则提出：如果对这种应变进行精确控制，能否将其作为一个额外的“调节钮”来改变材料与电磁波的相互作用。他们关注一对材料：对电场响应强烈的氧化锌和对磁场响应的铁碳化物，将二者组合成所谓的磁电复合材料。

构建用于无线能量的微型层状海绵

为实现这一构想，团队制备了带碳外壳的微小球体，内含氧化锌与铁碳化物。通过在受控条件下加热这些结构，促使氧化锌缓慢向碳壳外扩散。在这一过程中，氧化锌和铁碳化物先经历紧密压缩的界面，然后经过拉伸状态，最终分离。在界面处处于温和拉伸的阶段，原子尺度的局部电场发生强烈重塑。电子更易跨越界面移动，微小电偶极迅速形成并弛豫，使结构能够吸收入射电磁能并将其转化为热能。

从原子应变到宽带信号吸收

研究人员测量了这些应变界面如何改变材料在无线通信和雷达所用微波频段内的电学行为。他们发现当界面处于拉伸应变时，材料呈现出更强且更宽的介电响应：其内部电荷能够在广泛的频率范围内追随变化的场。计算机模拟和先进电子显微镜表明，应变改变了电荷运动的能垒，并在许多局域区域产生了微小的正负电荷分离。这些区域像无数微天线和阻尼器，帮助减缓并消散穿过材料的波能。

设计用于抑制无线噪声的无声屏障

为测试实际性能，团队将优化后的颗粒混入树脂并制成有图案的面板，称为超材料。该面板的形状与内部结构协同工作：磁电颗粒提供强烈的电磁能量损耗，而金字塔状几何有助于让入射波进入而非反射。实验显示，该超材料可在整个 2 至 18 GHz 频段内有效吸收信号，涵盖常见无线频段和雷达频率。当置于 5G 路由器前时，它将测得的射频信号强度削减超过 95%，并在将波能转化为热时微微升温。

对未来无线空间的意义

简言之，这项工作表明，通过精心“拉伸”和“松弛”材料内部两种微小组分之间的界面，可将其变为强大的宽带电磁波海绵。通过引导原子排列和电子在这些内部界面的运动，研究人员创造出无需依赖笨重金属屏蔽即可抑制大量不需要的无线信号的材料。此类应变工程磁电超材料有望保护敏感电子设备、减少拥挤城市中的电磁杂波，并支持依赖洁净且安全通信通道的民用与国防技术。

引用: Rao, L., Zhao, X., Wang, X. et al. Oriented diffusion tailors interfacial strain-polarization coupling for broadband electromagnetic absorption. Nat Commun 17, 4585 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71015-9

关键词: 电磁吸收, 无线干扰, 磁电材料, 超材料, 微波屏蔽