图 | 蜂窝（来源：Pixabay）

蜂巢由很多房孔组成，每个都是正六角形，每两个房孔之间会有一堵蜡制的墙，所有房孔的底都是尖的，这个底由三个完备一样的菱形组成。

据丈量菱形的两个锐角都是 70°，两个钝角则都是 109°，并且全天下所有蜂窝均按照上述规则建造。

这样的构造，让蜂窝可同时具备高强度和低重量，并且还能隔音和隔热。
借助这一大自然的奇妙法则，很多人造卫星、宇宙飞船、航天飞机都采取蜂窝构造。

蜂窝状多孔石墨烯材料出身，电磁屏蔽材料迎来新成员

受蜂窝构造启示，清华大学集成电路学院任天令教授联合制备出一种蜂窝状多孔石墨烯（HPG）材料，紧张利用的原材料为聚酰亚胺薄膜，并紧张采取了激光刻划技能。

图 | 蜂窝状多孔石墨烯材料（来源：受访者）

干系论文以《受蜂窝启示的多功能石墨烯微构造用于超高性能电磁滋扰屏蔽与可穿着运用》 （Multifunctional Graphene Microstructures Inspired by Honeycomb for Ultrahigh Performance Electromagnetic Interference Shielding and Wearable Applications） 为题揭橥在 ACS Nano 上。

图 | 任天令（来源；受访者）

个中，任天令和该校杨轶副教授、以及清华大学深圳国际研究生院张盛副教授，为共同通讯作者。

图 | 干系论文（来源：受访者）

当前，对付自动驾驶、5G 电信传输、国防军工、航空航天、智能可穿着设备等运用处景的稳定运行来说，电磁屏蔽扮演着 “扛把子” 角色。

任天令见告 DeepTech，随着物联网、自动驾驶、可穿着设备的发展，电路越来越繁芜，无论是汽车的中控集成式系统、高性能音响系统，还是体积越来越小的 5G 通信设备（手机及基站），或是哀求精度越来越高的仪器仪表，要担保这些电子设备的正常运行，电磁滋扰屏蔽至关主要。

而电子设备事情时，既不肯望被外界电磁波滋扰，又不肯望自身辐射出电磁波滋扰外界设备及危害人体康健，以是须要阻断电磁波的传播路径，因此自身产生的电磁波须要被接管，而外界入射的电磁波须要被反射或接管，这就使得不同屏蔽机制的电磁滋扰屏蔽材料可用于不同的运用处景。

传统的金属如铜和铝等是常用的电磁屏蔽材料，但它们易被堕落、密度过高，并且以反射电磁波为主，这会造成二次污染，因此其运用处景受到限定。
因此在便携式可穿着设备和航空航资质猜中，具备精良力学性能和超低密度的电磁屏蔽材料，才是真正的刚需。

基于此，任天令等人利用石墨烯、MXenes（过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物）和金属纳米线，探索具备超低密度、超高电磁屏蔽性能和精良力学性能的复合物。

该石墨烯材料内部模拟蜂巢构造，由微孔构造和丰富的石墨烯边缘和界面组成，能使得入射电磁波被多次反射和接管，适宜用于超高性能电磁屏蔽运用。

据悉，通过激光功率密度调控，单片蜂窝状多孔石墨烯材料的厚度可达 25-50 μm，而一片厚度为 48.3 μm 的多孔石墨烯的 SSE 为 1160 dB・³/g，SSE/t 为 240123 dB・²/g，比常见的碳基、MXene、以及金属材料等赶过许多倍，而密度仅有 0.0388 g/³。

把银纳米线（AgNWs）旋涂到石墨烯蜂窝孔表面，蜂窝状多孔石墨烯材料和银纳米线便可组成一种复合膜，该团队创造在 X 波段，该复合膜的电磁屏蔽效能，可从蜂窝状多孔石墨烯材料的 41.2 dB 增加到 61 dB，随着蜂窝状多孔石墨烯材料层数的增加，复合膜的屏蔽效能也会增加到 110 dB。

图 | 复合膜的电磁屏蔽性能（来源：受访者）

通过测试证明银纳米线的加入可显著提高蜂窝状多孔石墨烯材料对付电磁波的反射能力。
由于，加入银纳米线之后，蜂窝状多孔石墨烯材料的电导率提高至 2605.4 S/m，比较之下旋涂 MXene 后，电导率只有 398 S/m。

关于制备步骤，任天令表示一共有四步：

首先，搭建一个带有激秃顶的直写系统；

其次，将商用的聚酰亚胺薄膜放置于激秃顶的下方一定位置处；

然后，设计一个想要得到的图案，并将图片导入打算机内掌握激光直写系统的软件；

末了，设置软件的特定参数后，即可启动软件掌握激秃顶按照所导入的图案进行划刻。
待一定韶光划刻完成后，即可在聚酰亚胺表面得到蜂窝状石墨烯。

图 | 蜂窝状多孔石墨烯的制备（来源：受访者）

谈及研究中利用的激光刻划技能，任天令见告 DeepTech：“这指的是利用打算机精确操控激秃顶的划刻路径，在激秃顶划刻材料的表面后，由于高能激光的局部光热效应，使得材料内部的化学键断裂，从而在其表面原位天生另一种材料。
”

研究中，该团队分别采取功率密度为 16、80、85、90 和 95 mW/² 的激光，在薄膜上制备蜂窝状多孔石墨烯材料。

他们创造，功率的增加、也会让蜂窝状多孔石墨烯材料的蜂窝孔直径涌现增加，这是由于功率越大，在特定时间内碳化形成的气体就越多，蜂窝孔直径就会随着增大。

SEM 扫描电镜图显示，蜂窝状多孔石墨烯材料的内部构造，是一种蜂窝三维网络，这能降落材料密度，并增强电磁屏蔽性能。

而且，只需在打算机中输入想要的图案，就能订制出想要的蜂窝状多孔石墨烯材料，乃至可以做出刺绣图案。

关于这一功能，他表示，这是利用打算机中的掌握激秃顶 X-Y 轴移动的软件来实现的，将须要定制的图案（如刺绣图案）导入该软件内，软件通过识别图案的灰度，在激秃顶沿 X-Y 轴移动的过程中，在有图案的地方打开激光，而没有图案的地方关闭激光，从而可以得到一个定制化图案的蜂窝状石墨烯。

扛得住 1000 次波折循环，电性能 “毫发未伤”

另据悉，将石墨烯做蜂窝状构造的好处在于，材料在面对波折、拉伸、旋转等时，蜂窝构造可使得应力分散，从而避免应力集中导致材料疲倦损伤的情形发生。

因此，即便给蜂窝状多孔石墨烯材料做了 1000 次波折循环试验，其电性能也丝毫未损。

任天令阐明称，蜂窝构造有助于分散材料的应力，避免材料在受力过程中由于应力集中导致材料的疲倦断裂或破坏。

此外，蜂窝构造带来了超高的电磁屏蔽性能。
高密度毛病和多界面的三维蜂窝状网络构造中含有丰富的石墨烯边缘和无序构造，因此，进入材料表面的电磁波会被蜂窝构造的石墨烯多次反射和接管，末了以热能的形式耗散。

与此同时，蜂窝构造大大降落了材料的密度，使得材料能以超低密度实现超高电磁屏蔽性能，从而实现轻量化的电磁屏蔽运用，如航空航天和可穿着电子。

详细来说，蜂窝状多孔石墨烯材料具备出色的电磁屏蔽性能，并可通过激光功率密度进行调控：

当激光功率处于 80 mW/²时，其电磁屏蔽性能可达 20 dB，并能衰减 99% 的电磁滋扰，知足消费电子产品的哀求完备不在话下；

当功率小于 80 mW/² 时，蜂窝状多孔石墨烯材料的电磁屏蔽，多以接管为主；

当功率超过 80 mW/² 时，蜂窝状多孔石墨烯材料以反射屏蔽机制为主。

图 | 激光功率对蜂窝状多孔石墨烯材料构造的影响（来源：受访者）

对付上述屏蔽机制，任天令剖析称，通过调控激光功率密度，可以得到不同电磁屏蔽性能的蜂窝状石墨烯。
传统金属作为电磁滋扰屏蔽材料，其表面电导率高，趋肤深度小，因此其紧张是通过表面对电磁波的大量反射来实现电磁滋扰屏蔽的，这很随意马虎造成电磁波的二次污染。

而以接管为主的电磁屏蔽材料可以避免电磁波的二次污染，并将电磁波接管以热量的形式耗散。

图 | 蜂窝状多孔石墨烯材料的电磁屏蔽性能（来源：受访者）

此外，蜂窝状多孔石墨烯材料的厚度，也会影响电磁屏蔽性能：单片 48.3 μm 的蜂窝状多孔石墨烯材料，在 10 GHz 时的电磁屏蔽性能大约是 40 dB，这时它能屏蔽 99.99% 的入射电磁波；当把该材料堆叠到 6 层后，电磁屏蔽性能可达 80 dB，并能衰减 99.999999% 的入射电磁波。

本钱价便宜几倍，工艺大略适宜大规模制备

同时，该材料本钱较低。
任天令见告 DeepTech，蜂窝状多孔石墨烯材料的原材料为商用聚酰亚胺，尺寸为 50 cm100 cm 的商用聚酰亚胺薄膜的价格约为 100 元公民币（不同厚度高下有浮动）。

而市情上由化学气相沉积法（CVD）成长的铜基底多层石墨烯尺寸 5 cm5 cm 的价格约为 2000 元（不同质量不同厂家有高下浮动）。
比较之下，蜂窝状多孔石墨烯材料的上风可见一斑。

而且与石墨烯的 CVD 成长技能比较，该技能工艺大略、条件温和可控，制造过程效率高，因此很适宜大规模制备。
不过任天令也坦言，不同技能制备的石墨烯各有优缺陷和用途，不能大略地一概而论。

图 | 蜂窝状多孔石墨烯材料的力学性能及运用（来源：受访者）

在可穿着运用上，则可用于监测人体呼吸、脉搏、和喉部运动等微弱生理旗子暗记。
利用时，不须要将其搭载在其他产品上，其本身便是一个感应传感器，可直接将其贴敷于人体相应检测部位（如手腕、喉部等）以实现生理旗子暗记监测。

谈及落地，他表示：“项目成果落地、科研成果利国利民肯定是最好的，但这须要成本的推动和进一步开拓更多的运用处景，（我们希望）提高技能壁垒，打造特色产品。
”