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  隨著航空航天和國(guó)防領(lǐng)域?qū)ψ鲬?zhàn)速度和復(fù)雜環(huán)境下裝備隱身性能要求的不斷提高，電磁屏蔽材料正朝著高性能和輕量化方向快速發(fā)展。傳統(tǒng)的電磁屏蔽材料通常涉及復(fù)雜的共軛納米復(fù)合材料的制造或直接石墨化有機(jī)材料的操作，面臨著平衡其性能和可加工性的巨大挑戰(zhàn)。因此，尋找和設(shè)計(jì)具有本征共軛和優(yōu)越加工性能的新概念材料對(duì)于突破領(lǐng)域瓶頸是至關(guān)重要的。

圖1 高度有序的新概念黑色素材料的設(shè)計(jì)策略。

  黑色素是一種典型的生物大分子色素材料，其在廣泛的電磁波頻譜（電離輻射，紫外，可見光，紅外等）均具有普遍的能量耗散行為，然而其混亂無序的結(jié)構(gòu)難以提供長(zhǎng)程的電子轉(zhuǎn)移路徑，從而限制了材料對(duì)長(zhǎng)波能量的響應(yīng)。近期，四川大學(xué)李乙文教授團(tuán)隊(duì)通過超分子工程調(diào)控了黑色素材料組裝過程中的交聯(lián)及組裝行為，重構(gòu)了黑色素材料的有序網(wǎng)絡(luò)，首次制備得到了高度有序的黑色素材料。具體來說，他們通過在聚合過程中提高環(huán)化吲哚的比例，并減少因氫鍵交聯(lián)導(dǎo)致的無序結(jié)構(gòu)，來誘導(dǎo)形成更多的組裝結(jié)構(gòu)而非交聯(lián)結(jié)構(gòu)。通過對(duì)材料的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，5,6-二羥基吲哚環(huán)狀四聚體在高取向的π-π堆積作用下形成了納米纖維（圖2）。相較于傳統(tǒng)的黑色素材料，TEM，XRD和Raman光譜證實(shí)了有序黑色素納米纖維對(duì)的高度有序性（圖2）。進(jìn)一步地研究了黑色素材料的微波吸收（最大反射損耗 - 68.87 dB，有效吸收帶寬 5.25 GHz）和電磁屏蔽性能（X 波段中，密度 3.11 mg/cm3，厚度 2 mm 時(shí)，比屏蔽效能達(dá) 47909.9 dB?cm2/g）（圖3），因?yàn)槠漭p質(zhì)高效的特點(diǎn)（完全不含金屬成分），材料達(dá)到了目前所報(bào)道的碳材料中的最高電磁屏蔽比效能。通過超分子工程所調(diào)控得到的黑色素材料展現(xiàn)了極佳的阻抗匹配，相較于傳統(tǒng)的電磁屏蔽材料，其展現(xiàn)了以吸收型為主的損耗機(jī)理，這大大拓寬了其應(yīng)用場(chǎng)景。這項(xiàng)工作構(gòu)建了高度有序的人造黑色素納米纖維材料實(shí)現(xiàn)了對(duì)微波能量的高效吸收，展現(xiàn)了極其優(yōu)秀的性能和應(yīng)用潛力，為更多具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)且難工程化的生物大分子材料的有序化調(diào)控提供了新的思路。

圖2. 高度有序的黑色素納米纖維材料的制備與標(biāo)準(zhǔn)。

圖3. 有序黑色素纖維材料的微波吸收性能。

  該工作從大分子結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)出發(fā)，通過超分子工程重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基元的堆積結(jié)構(gòu)與交聯(lián)密度，首次制備了高度有序的黑色素納米纖維材料，突破了材料在長(zhǎng)波長(zhǎng)頻段（＞1mm）的應(yīng)用瓶頸，為為輕量化電磁屏蔽材料設(shè)計(jì)提供新的研究范式。該工作以“Melanin-like nanofibers with highly ordered structures achieve ultrahigh specific electromagnetic interference shielding efficiency”為題發(fā)表在《Nature Communications》上（Nature Communications，2025，16，7127）。文章第一作者是四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生陳鵬，通訊作者是李乙文教授。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金杰青項(xiàng)目、四川省自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體等多個(gè)科研項(xiàng)目的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62367-9