基于壳聚糖气凝胶的超轻微波吸收体，具有增强的吸收性能

为什么阻挡散射微波很重要

从智能手机和 Wi‑Fi 路由器，到机场雷达和卫星链路，我们的世界充斥着看不见的微波信号。虽然这些波促进了现代通信，但它们也会引起干扰，使飞机或设备在雷达上显现，极端情况下还可能对敏感电子设备和人体健康构成风险。因此工程师寻求能吸收不需要的微波而不是反射它们的特殊涂层。本研究报道了一种由天然与无机成分混合制成的新型超轻、多孔海绵状材料，能够在关键通信和雷达频段强效吸收微波。

为隐形波设计的羽量级海绵

研究人员的目标是打造一种既极其轻盈又能高效吸收微波的材料。他们的出发点是壳聚糖——一种从贝类废料中获得的生物高分子，可形成一种坚固且充满气孔的海绵状固体，称为气凝胶。单独的壳聚糖吸波能力不足，但其多孔结构非常适合让微波沿曲折路径传播，从而增加能量耗散的机会。为提升性能，团队在这种天然骨架中填充了精心调配的三种成分：一种半导体化合物（二硒化钼，MoSe₂）、一种高导电性的碳片材（还原氧化石墨烯）以及一种层状矿物粘土（蒙脱石）。结果得到一种混合的“聚合物/碳/矿物”气凝胶，其密度比水低数百万倍。

混合结构如何构建

制备过程中，科学家们先合成 MoSe₂ 纳米颗粒，然后在水中将它们与石墨烯片和粘土层混合，使这些微小薄片展开而不聚结。另一步是将壳聚糖溶于温和酸液形成凝胶，再将不同含量的 MoSe₂/石墨烯/粘土混合物加入其中。少量交联剂有助于将各组分固定在一起。最终，他们将混合物冷冻并通过真空去除冰晶，留下刚性且高度多孔的气凝胶。电子显微镜成像显示出互连的孔隙网络，无机片层均匀分散在壳聚糖骨架中——当填充物约占固体含量的一半时，这种分散尤为显著。

捕获并耗散微波能量

关键测试是这些气凝胶在 X 波段和 Ku 波段（大致 8–18 GHz）内吸收微波的能力，这些频段广泛用于雷达和高频通信。团队测量了材料在金属背衬条件下对入射信号的反射量——这一苛刻条件模拟了真实硬件上的涂层。纯壳聚糖仅表现出有限的吸收能力。但当加入 MoSe₂/石墨烯/粘土混合物后，性能显著提升。最佳配方（填料约占重量的 50%）在仅 2.7 mm 厚度下将反射信号降低了最多 72 分贝——意味着波的功率降低了超过一千万倍。它还在 3.8 GHz 的频宽上提供了强吸收，而稍微增加填料的版本则在仅 2.3 mm 厚度下以牺牲峰值强度为代价，换来了覆盖整个 X 和 Ku 波段的极宽吸收带。

这种海绵为何如此有效

气凝胶的成功来自多种耗能机制的协同作用。首先，其迷宫般的孔道迫使微波在内部多次反射，延长传播路径并增加能量损失的机会。其次，聚合物、导电石墨烯、半导体 MoSe₂ 与介电粘土之间的介质对比产生了无数微小界面，当波通过时电荷可在这些界面间来回迁移，将电磁能转化为热能。第三，石墨烯和 MoSe₂ 为载流子提供了迁移通道，增强了电损耗，同时又不会使材料导电到仅仅在表面反射波的程度。粘土的层状结构有助于保持其他片层的分散与隔离，从而最大化有效表面积。计算与模拟证实了这些组合机制使气凝胶具备优良的“阻抗匹配”，使微波易于进入并在内部被衰减。

让金属目标在雷达下“消失”

为了探讨该材料在真实场景中的潜力，研究人员模拟了一个被涂覆 2.3 mm 气凝胶层的金属球体——作为雷达目标的理想化替代物。他们计算了雷达散射截面（衡量目标在雷达上表现大小的指标）以及其周围散射电场的强度。与裸金属球相比，涂层球体在 X 和 Ku 波段显示出 30 到 60 分贝的表观尺寸减小，并且在许多方向上散射场强度下降超过 30 分贝。简而言之，该涂层使金属物体对雷达看起来更小、更暗，同时仅增加极少的重量。

对未来器件的意义

总体而言，该研究表明，将可再生生物高分子与经过精心选择的纳米级填料结合，可以制备出在重要技术频段上高效吸收微波的超轻薄涂层。优化后的 MoSe₂/石墨烯/粘土－壳聚糖气凝胶优于先前基于类似成分的版本，并可与许多更重、更复杂的吸收材料相抗衡。由于壳聚糖来源于丰富的海洋废料且制备过程条件相对温和，此类材料有望为屏蔽敏感电子设备、减少电磁污染，甚至在未来通信与雷达系统中对组件进行隐身涂层提供更环保的途径。

引用: 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

关键词: 微波吸收体, 气凝胶, 壳聚糖, 电磁屏蔽, 雷达隐身