水凝胶因其多孔结构和富含水分子的特性，在千兆赫及太赫兹频段可通过吸收、极化和介电损耗衰减电磁波，是柔性电子器件中一种极具潜力的智能屏蔽材料。然而，电磁屏蔽水凝胶的机械性能（尤其是强度与断裂韧性）不足，限制了其在复杂机械载荷条件下的实际应用。开发兼具优异电磁屏蔽性能和出色机械性能的多功能水凝胶，是一项有挑战性的任务。
中国科学技术大学核科学技术学院的研究团队开发了一种强韧多功能双网络水凝胶，兼具出色机械性能以及针对太赫兹波段的高性能EMI屏蔽性能。该研究成果以“Super tough multifunctional MXene/PAA-CS double network hydrogels with high mechanical sensing properties and excellent EMI shielding performance”为题，于近日发表在《Small》上。
研究人员通过对水凝胶进行盐析引发霍夫迈斯特效应造成分子纠缠，成功制备了具有多孔结构的MXene/PAA-CS双网络水凝胶，其表现出优异的综合功能性，包括高强度（1.6 MPa）、断裂韧性（9.22 kJ/m2）、良好拉伸性能（超过600%）、导电性（4.8 S/m）以及应变灵敏度（11.66）。
图1 MXene/PAA-CS双网络水凝胶与目前已报道的EMI屏蔽材料的综合性能对比
同时，MXene/PAA-CS双网络水凝胶在0.1-1.0 THz波段实现了73.8 dB的出色屏蔽效果。在经过反复地拉伸，以及长时间的失水之后，其仍然能保持超过商业要求（20 dB）的EMI屏蔽性能。该水凝胶出色的电磁屏蔽性能源自于其富水多孔结构促进的多次反射和吸收的组合效应，MXene和(NH4)2SO4使得电导率显著增加并引起的导电损耗，以及MXene-PAA和MXene-CS的界面极化效应。这种综合性能优异的强韧MXene/PAA-CS水凝胶在柔性、可变形和可穿戴电子设备的电磁屏蔽领域表现出潜在的应用前景。
图2 MXene/PAA-CS双网络水凝胶的太赫兹波段EMI屏蔽性能、稳定性及机制分析
论文第一作者是核科学技术学院2023级博士研究生梅林，共同通讯作者为等离子体物理与聚变工程系吴征威特任研究员、近代力学系骆天治教授和地球与空间科学学院博士后欧阳文冲（核学院2023届博士毕业生）。该研究得到国家磁约束核聚变能发展研究专项、博士后面上项目、博士后国资计划等经费支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202410687