高导电的电磁屏蔽材因与空间阻抗失配，会产生强的表面反射，因此造成二次电磁污染。针对这一问题，香港大学、山东大学、北京理工大学和深圳职业技术大学联合团队提出一种单体式连续电导率梯度的纳米纤维气凝胶。利用吡咯和氧化剂在芳纶纳米纤维多孔骨架中的可控扩散行为与化学反应动力学的耦合，开发了厚度方向上近似指数衰减的具有连续电导率梯度的全聚合物气凝胶材料。电磁波在低电导率面入射时，特征梯度气凝胶在10.2-40.0 GHz超宽频带范围内呈现R<0.1和SE>30 dB，这为实现高屏蔽、低反射与力学适应性提供了新方法。

  相关论文“Nanofibrous aerogels with continuous conductivity gradient for ultrabroadband absorption-dominant electromagnetic interference shielding”于2026年8月29日在线发表于《Nature Communications》。论文第一作者为陈雅晴（香港大学），通讯作者为廖翕（深圳职业技术大学）、王长显（北京理工大学）、徐立之（香港大学）和曾志辉（山东大学）。

电磁波“挡住了”，为什么还要降低反射？

  随着便携电子器件、第五代通信和高密度集成系统的快速发展，电磁干扰已经成为影响信号完整性、设备可靠性和信息安全的重要问题。金属、MXene、碳材料以及其他高电导率组分能够提供较高的总屏蔽效能，但“高电导率”并不必然意味着“低电磁污染”。其与空气之间的阻抗差异会使大量电磁波在表面被直接反射，设备自身受到保护的同时，反射波仍可能传播到周围空间，引发二次辐射、背向散射和潜在的信息泄漏风险。

  近年来，研究人员尝试通过多孔结构、层状结构和梯度结构改善阻抗匹配。然而，梯度屏蔽材料多依赖多层堆叠，残留的层间边界可能造成局部阻抗突变、界面接触不充分和分层风险，也使性能对层厚及堆叠顺序更加敏感。此外，利用无机填料复合的材料还会被动引入大量的界面缺陷。因此，研究的关键不再是单独追求更高的SE，而是同时调控反射、吸收和透射，并避免因复杂层间结构和界面缺陷而牺牲材料的稳定性与加工性。连续、单体式的电导率梯度为解决这一矛盾提供了新的思路。

一步构筑：用扩散-反应耦合“写入”连续梯度

  该团队首先构筑由超支化芳纶纳米纤维（ANF）和聚乙烯醇（PVA）组成的多孔水凝胶骨架，随后从顶部依次引入吡咯和FeCl₃。氧化剂向深部扩散并触发吡咯聚合：靠近上表面的区域生成更多聚吡咯（PPy），随深度增加，PPy含量逐渐下降，形成PPy富集的高电导率面连续过渡至PPy贫化的低电导率面。导电梯度直接形成于同一骨架内部，无需多层堆叠或粘接，同时保留互联孔结构和导电网络。与预先制备多种导电层再组装相比，该方法利用分子扩散和反应前沿自行编码梯度，减少了工艺步骤及层间缺陷，使导电性与轻质多孔骨架在同一材料中协同实现。

图1 单体式连续电导率梯度气凝胶的构筑、微观结构及宏观可加工性

梯度如何调控

  梯度产生于分子扩散传质与快速氧化聚合反应动力学的动态竞争。PPy含量随深度连续下降，电导率分布可近似用指数函数σ(z)=σ₀exp(-z/λ)描述：σ₀代表高电导率表面的电导率，λ表示特征衰减长度，z为从高电导率表面沿厚度方向的深度。实验与模拟表明，延长扩散时间可扩大PPy渗透深度并增大λ；降低骨架孔隙率则会提高传质曲折度从而导致梯度更陡。由此，制备条件可转化为可调梯度参数。

图2 PPy浓度、电导率和孔结构的深度梯度及其调

可调梯度实现超宽带低反射

  连续梯度产生显著的方向依赖性：从高电导率面入射时反射占主导；从低电导率面入射时，入口阻抗更接近自由空间，更多能量进入内部并被吸收。以MCA-94为例，改变入射方向可使X波段R由约0.91降至0.16，而总SE基本不变。进一步协调σ₀和λ后，低电导率面入射的MCA-4*在X波段达到R约0.09、A约0.91和SE约32 dB。同时在10.2-40.0 GHz范围内保持R<0.1和SE>30 dB，实现29.8 GHz的超宽带低反射窗口。实验结果表明，材料可以在不明显降低总屏蔽能力的情况下重新分配反射与吸收，并将低反射状态扩展到多个电磁波频段。

图3 连续电导率梯度对反射、吸收和总屏蔽效能的调控，以及10.2-40.0 GHz超宽带性能。

作用机制与梯度设计原则

  梯度分层电磁模型（GSM）显示，当均匀单层逐渐细分为100层连续梯度时，A由0.44提高至0.91，总SE由4.4 dB提高至31.5 dB。从低电导率面入射时，表层改善阻抗匹配；随深度增加，电导率升高而电场衰减，二者耦合使功率损耗在内部形成峰值，并逐渐由介电损耗转向欧姆损耗。模型给出的σ₀-λ设计窗口表明，电导率梯度特征同时影响了屏蔽效能，反射、吸收和透射系数。若σ₀或λ过小，材料内部导电损耗不足，透射难以被充分抑制；若数值过大，入口阻抗失配又会增强表面反射。因此，低反射高屏蔽性能的实现需要设计优化σ₀-λ梯度特征参数，使电磁波在“顺利进入”和“充分耗散”之间找到平衡。

图4 梯度分层电磁模型、参数设计窗口及内部损耗机制

电磁性能到结构适应性

  该系列材料的密度范围约为0.06-0.30 g cm?3，总SE约20-65 dB。其中75%孔隙率的MCA-75实现杨氏模量 205 MPa、拉伸强度12.1 MPa，断裂能5 kJ m^-2。引入的kirigami结构进一步提升了拉伸适应性：样品在X波段仍保持SE>26 dB，并在60%应变下保持SE>20 dB，显示出面向曲面和动态结构的应用潜力。连续电导率梯度可以嵌入柔性聚合物网络，在变形状态下维持有效屏蔽，为曲面覆盖、可穿戴器件和动态结构中的轻质电磁防护提供可能。

图5 材料的力学可调性、断裂性能及kirigami结构在拉伸状态下的电磁屏蔽表现

总结与展望

  该工作通过扩散-反应耦合，在单体式全聚合物气凝胶中直接构筑了可调控的连续电导率梯度。在轻质全聚合物气凝胶中实现了超宽带、低反射和吸收主导的电磁屏蔽性能，并进一步揭示了连续梯度对电磁能量传输与耗散的调控机制，为电子通信、柔性器件及复杂形变场景中的电磁防护提供了新的思路。

  研究获得香港研究资助局、国家自然科学基金及InnoHK计划支持。

  论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-77257-x