無線通訊技術的發展促進了社會進步，但其普遍使用也讓人們長期暴露于電磁輻射之下。現在，電磁汙染已連同土壤汙染、空氣汙染和水汙染一起成爲全球四大汙染問題。
迄今爲止，科學家們已在高性能電磁吸收材料領域取得不少突破性進展。然而，由于電磁吸收材料多用在戶外，難以避免環境、天氣等帶來的不利影響。如何設計出既具備出色電磁耗散能力又有良好環境適應性的電磁吸收材料，仍然是⼀個巨大的挑戰。
近日，南京林業大學團隊聯合美國俄亥俄州立大學課題組、新加坡材料研究與工程研究所及美國密歇根大學安娜堡分校課題組合作，共同提出一種新型衍生物碳，其既能在酸堿環境中穩定發揮電磁吸收作用，又具有良好的疏水能力，爲電磁吸收材料在戶外場景的落地帶來新的方向。
相關論文以《生物質衍生的碳異質結構可以實現環境自適應寬帶電磁波吸收器》（Biomass-Derived Carbon Heterostructures Enable Environmentally Adaptive Wideband Electromagnetic Wave Absorbers）爲題發表在 Nano-Micro Letters 上，南京林業大學材料科學與工程學院副教授婁志超擔任第一作者[1]。
圖 | 相關論文（來源：Nano-Micro Letters）
據了解，該團隊所提出的碳異質結構新型衍生物碳，是通過對竹子中提取的石墨化木質纖維素進行分層組裝設計而來。
隨著所含纖維素和木質素的比例變化，這種碳異質結構從二維片狀逐漸變爲一維納米纖維狀，接著又開始自分解，共生形成片狀。
在其結構的演變過程中，該新型衍生物碳不斷分解親水型含氧官能團，其碳基共價鍵由親水型轉變趨于穩定的疏水型，提高了自身的表面疏水性和抗酸堿能力，展現出良好的環境自適應性。
圖 | 碳異質結構的演變（來源：Nano-Micro Letters）
研究表明，“在模擬真實環境的條件下，這種新型衍生物碳可持續進行寬帶電磁吸收，其有效吸收頻率範圍達到 12.5GHz 至 16.7GHz，包括具有微酸性/堿性 pH 值的雨水環境。”
據悉，該研究立項時聚焦的是竹材及其化學提取物在高附加值等方面的竹産業瓶頸。
2020 年疫情一緩和，南京林業大學竹材工程研究中心團隊就赴浙江、湖南、江西和福建四省考察當地竹材加工企業的情況，並與企業負責人和政府領導進行交流探討，希望幫助解決這些企業在生産和銷售中面臨的實際問題。
婁志超談到，“我們是全程自己開車進行調研的，粗略算了一下總路程三千多公裏，該研究聚焦的問題也是在這一時期發現並通過一路的探討總結出來的。”
圖 | 婁志超（來源：婁志超）
在走訪竹加工企業的過程中，研究人員發現，大量竹廢料沒有得到很好的利用。有的被焚燒，再以能源形式提供給工廠，但帶來大量粉塵汙染，碳排放也不達標；有的則被直接丟棄，對土壤和水資源都造成了汙染。
他們認爲，如果用高附加值的産業前景來推動下遊企業收購竹廢料，再對這些廢料加以利用，就可以實現“全竹利用”，變廢爲寶。
從原材料方面來講，竹渣廢料易于獲得，研究人員可通過苯磺酸水解法，高效生産出能夠有效調控纖維素/木質素異質結構的木質纖維素納米纖維。
圖 | 木質纖維素納米纖維的顯微鏡圖像（來源：Nano-Micro Letters）
在與美國俄亥俄州立大學的呂華良研究員和王曉光教授等人溝通後，他們得出，碳基電磁波吸收劑的開發是緩解電磁汙染的一個途徑。‘
接著，研究人員立即想到，基于纖維素和木質素組成的生物質提取物，是否能夠獲得一種凝聚態和化學共價鍵高度可調的衍生碳基電磁吸收材料，這樣既能解決日常生活中電磁汙染的問題，又解決了竹廢料高附加值利用的問題。
于是，他們確定了與美國俄亥俄州立大學課題組、新加坡材料研究與工程研究所及美國密歇根大學安娜堡分校課題組的合作關系，並得到了國家自然科學基金面上項目等資助。
婁志超介紹道，在該研究中，竹源木質納米纖維素及其衍生碳的制備和性能調控策略設計，由他和南京林業大學的李延軍教授、卞輝洋副教授來主導，而包括南京林業大學王秋怡博士在內的 4 位中外研究生主要負責材料制備和性能表征，美國和新加坡的課題團隊主要給予電磁波吸收機理方面的支持。
經過一年半的共同努力，他們成功突破了技術瓶頸，得到了預期的研究成果。
圖 | 新型衍生碳基電磁吸收材料在真實環境下的性能測試（來源：Nano-Micro Letters）
總體而言，這項研究共有兩個亮點。一是，憑借纖維素和木質素組成的竹子提取物，帶來一類結構與共價鍵高度可控的新型衍生碳基電磁吸收材料；二是，這種新型衍生碳基電磁吸收材料表現出優異的寬頻電磁吸收性能、抗酸堿性及疏水能力。
目前，研究人員已爲此研究成果申請了發明專利，並開始和企業洽談産業化推廣和應用方面的合作。
婁志超表示，該研究所帶來的衍生碳基電磁吸收材料可以分散用于特殊功能建築的飾面塗料，也可以用在精密儀器設備的包裝材料表面，並可在電磁汙染防治、防靜電和信息安全等領域大展身手。
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婁志超簡介：
婁志超副教授，全國創新創業優秀博士後稱號（2021）獲得者。入職南京林業大學以來，主要研究領域集中在生物質基複合材料領域，包括竹材改性和竹材加工、生物質複合材料開發和應用、新型隱身材料開發和應用等3個方面。
相關研究成果申請發明專利12件，已授權3件；申請實用新型專利15件，均已授權。2017年以來，共發表同行評審學術論文57篇，包括第一作者SCI論文18篇和通訊作者SCI論文11篇。其中，領域中高被引論文5篇，熱點論文2篇，單篇最高被引用次數81次，H因子20。先後主持省部級及以上項目5項，包括國家自然科學1項，江蘇省自然科學基金1項和國家林草局重點研發項目1項等。擔任材料領域和化學領域等20余個期刊的審稿人，年均審稿30余篇。
自2019年起，以福建省科技特派員身份在福建省南平市開展多項竹材加工方面“産學研”合作，相關科技服務事迹和成果以“科特派創新技術 讓竹質結構材料煥發新活力”爲題，被東南網和建瓯新聞網報道。參與編寫行業標准2件。參與中國林學會組織的科技成果鑒定2件，中國林産工業協會組織的新産品鑒定5件。獲得行業一級協會科學技術獎一等獎1項（2021），第一屆全國博士後創新創業大賽銅獎（2021）。
指導學生獲得“第七屆江蘇省‘互聯網＋’大學生創新創業大賽”三等獎，“第十七屆挑戰杯全國大學生課外學術科技作品競賽”省級三等獎以及“第三屆全國林業草原行業創新創業大賽主賽道全國總決賽”優勝獎，並獲得江蘇省“十佳研究生團隊”榮譽稱號。
參考：
1.Lou, Z., Wang, Q., Kara, U.I. et al. Biomass-Derived Carbon Heterostructures Enable Environmentally Adaptive Wideband Electromagnetic Wave Absorbers. Nano-Micro Lett. 14, 11 (2022). https://doi.org/10.1007/s40820-021-00750-z
