【双金属二维MOF】：多层尺度设计金属有机框架超材料以实现宽带微波吸收

首页 > 行业动态 > 【双金属二维MOF】：多层尺度设计金属有机框架超材料以实现宽带微波吸收

摘要：
西北工业大学孔杰老师等报道的本篇文章(Adv. Funct. Mater.2024, 2402923)中提出了一种新颖的多层尺度设计方法，用于开发具有宽带吸收性能的超材料微波吸收器。首先，通过精确控制钴和铜离子的比例，成功制备了一系列双金属（钴和铜）半导电金属-有机框架（SC-MOF）晶体，作为超材料的构建模块。通过调整两种离子的浓度比例，实现了晶体形态的可控制备，从而精确调节了SC-MOF的吸收峰和带宽范围，展现出优异的电磁波（EMW）吸收性能（有效吸收带宽：6.16 GHz，最小反射损耗：-61 dB）。基于此，通过将SC-MOF封装在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，并利用3D打印技术制造了基于woodpile多孔架构的多层超材料吸收器。该超材料吸收器在微波频谱中展现出接近完美的吸收性能（带宽：11.33 GHz），与理论模拟结果非常接近。这种结合精确MOF材料构建和拓扑结构设计的多层尺度设计方法，为宽带微波吸收器的开发提供了新的见解。

研究背景：
1) 行业问题：随着第五代通信技术的广泛应用，对宽带电磁波吸收材料的需求日益增长，以减轻相关辐射和干扰，确保电子通信设备的正常运行。
2) 其他学者的解决方案：新兴的3D超材料通过结合材料本身的磁/电损耗与拓扑结构的二次衍射共振，有望增加微波频段的有效吸收带宽。
3) 本文作者的创新：提出了一种多层尺度设计方法，结合双金属SC-MOF的设计与直接墨水书写（DIW）3D打印技术，实现了宽带EMW吸收的超材料。

实验部分：
1) 合成实验：研究者通过溶热法成功制备了一系列双金属（钴和铜）半导电金属-有机框架（SC-MOF）晶体，命名为CoxCu1-x−CAT−1。通过调整两种金属离子的浓度比例，实现了晶体形态的可控制备，并精确调节了SC-MOF的电磁性能。
2) 结构表征实验：通过扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、透射电子显微镜（TEM）、粉末X射线衍射（PXRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）对SC-MOFs进行了详细的结构和成分表征。PXRD图谱显示了特征峰，证实了SC-MOFs的晶体结构。
3) 电磁性能测试：通过基于实测的介电常数和磁导率获取的反射损耗（RL）图，验证了设计的双金属SC-MOFs的EMW吸收能力。Co0.50Cu0.50−CAT−1表现出最佳性能，具有-61 dB的反射损耗最小值和6.16 GHz的有效吸收带宽。
4) 雷达截面积（RCS）模拟：进行了RCS模拟，以评估双金属SC-MOFs的实际远场EMW吸收性能。模拟结果表明，与纯PEC板相比，涂有CoxCu1-x−CAT−1的完美电导板显示出显著更低的散射信号，表明SC-MOFs具有有效的EMW吸收能力。
5) 微波吸收体设计：选择了代表性的Co0.5Cu0.5−CAT−1样品进行结构设计，灵感来自于传统超材料中的梯度阻抗匹配设计，设计了基于woodpile孔隙结构的超材料结构。通过有限元电磁模拟优化了超材料的尺寸，确定了最佳的几何参数组合。
6) 微波吸收性能验证：通过直接墨水书写（DIW）3D打印技术制造了SC-MOF基超材料吸收体，并进行了波导测试。实验结果显示，吸收体的反射曲线与模拟曲线吻合良好，其有效吸收带宽几乎覆盖了C、X和Ku频段。

总结：
本文通过多层尺度设计方法，成功开发了一系列具有优异电磁波吸收性能的双金属SC-MOF，并进一步通过3D打印技术制造了基于woodpile架构的超材料吸收器。实验结果表明，这些超材料吸收器在微波频段展现出接近完美的吸收性能，具有广阔的应用前景。

展望：
   1) 本文取得了显著的成果，对于超材料吸收器在不同环境条件下的长期稳定性和耐久性未来还可以进一步研究。
   2) 目前的研究主要集中在材料的合成和性能表征上，对于超材料吸收器在实际应用中的性能表现和优化未来还可以提供更多的实验数据支持。
   3) 后续研究建议：建议对超材料吸收器的制造工艺进行优化，以实现大规模生产和商业化应用。同时，探索新型材料和结构设计，以进一步提高超材料吸收器的性能和降低成本。

Multi-Scale Design of Metal–Organic Framework Metamaterials for Broad-Band Microwave Absorption
文章作者：Ning Qu, Guoxuan Xu, Yekun Liu, Mukun He, Ruizhe Xing, Junwei Gu, Jie Kong
DOI：10.1002/adfm.202402923
文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202402923

本文为科研用户原创分享上传用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。