仿生手性超材料实现入射波极化转换增强电磁波吸收

来源：两江科技评论

导读

近日，大连理工大学段玉平教授课题组，受金龟子手性微结构的启发，研究制备了仿生螺旋手性超材料，利用仿生手性结构的旋光性，将入射线极化波转化为圆极化波，通过极化转换实现吸波性能增强，为电磁波吸收材料发展提供了一种新的研究思路和技术途径。相关研究工作近期以“Bioinspired Gyrotropic Metamaterials with Multifarious Wave Adaptability and Multifunctionality”为题，发表于《Advanced Optical Materials》上，该超材料采用高熵合金新材料为基元进行序构，提高吸波性能的同时也提升了耐腐蚀性，适用于海洋腐蚀环境，展现了其应用优势。

研究背景

电磁波吸收材料在降低电磁污染、军事隐身等领域具有重要应用，但传统吸波材料很难适应当今信息及探测技术的高速发展，因此如何通过吸波材料的微观-介观-宏观结构再造实现增强吸收，成为提高吸波材料性能和拓宽吸波频段的重要途径。据此，段玉平教授课题组在2019年将仿生学的研究范式引入到吸波材料研究中（Small, 2019, 15, 1902730），制备仿生吸波超材料，实现了深亚波长厚度下的宽带吸收，突破了传统吸波材料的Plank-Rozanov极限，并实现多频段及多功能适应性。而超材料在一定的周期结构下通过构造手性微结构，有望继续提升吸波性能，但尚未得到实验验证。

创新研究

在前期研究的基础上，课题组研究了金龟子甲壳的手性微结构模型（图1），其甲壳中相邻层的纳米纤维排列相对于上一层顺时针旋转一定角度，使它们呈现出宝石结构色。这种手性结构可实现电磁波的极化旋转，即可将入射线性极化的电磁波转换为圆极化波，并在极化转换同时产生电磁波损耗，这种损耗作用应用于吸波材料中则可以增强吸收。据此，课题组根据图1中的研究路径设计了手性仿生单元，并制备了吸波超材料（图2a）。研究发现构造右手螺旋本征手性（图2c）相比于非本征手性（图2b），可实现吸收增强及拓展有效吸收带宽。通过仿真结果展示电磁波的极化随单元的扭转而旋转（图3b），验证了吸收机理。

本研究以高熵合金作为手性超材料序构单元，一方面高熵合金的多主元特性赋予了超材料更多的设计自由度，另一方面高熵合金具有良好的耐腐蚀性，在大气及海洋腐蚀环境中具有明显的应用优势。

图文速览

图1 金龟子手性结构及仿生超材料单元设计路径

图2 a）手性吸波超材料样品；b, c）不同扭转角度（θ）下材料的吸波性能

图3 手性结构（扭转角15°）的a）电场及其b）矢量仿真计算结果

总 结

该研究为吸波材料发展了新的思路和损耗机理，并在高腐蚀的海洋环境下具有重要应用前景。文章第一作者为大连理工大学博士生黄灵玺，通讯作者为段玉平教授。

大连理工大学吸波材料研究室是在原导电材料研究室基础上发展起来的，在刘顺华和段玉平教授带领下从2000年起主要从事电磁屏蔽和吸收材料的研究，经过多年的不懈努力，走出了特色鲜明的创新之路，目前主要致力于新型吸收剂和吸波涂层的表面超结构研究。先后承担国家科技支撑计划项目、国家重点研发计划、国家科技基础条件平台建设项目、国家自然科学基金重点项目等，共发表相关学术论文200余篇，授权国家发明专利20余项，实现成果转化5项，出版学术专著3部。研究室目前已建成完善的吸波材料制备和检测平台，包括用于吸波性能测试的微波暗室、全波段高低温（-60℃~1000℃）电磁参数测试系统、高温吸波性能测试平台、红外隐身性能测试平台、材料电导率测试系统等。

 文章链接

Lingxi Huang, Yuping Duan*, Jia Liu, Yuansong Zeng, Guojia Ma, Huifang Pang, Shaohua Gao, Weiping Zhang*, Bioinspired Gyrotropic Metamaterials with Multifarious Wave Adaptability and Multifunctionality. Advanced optical materials, 2020, 2000012.