蜂窩，又叫蜂巢，是蜂群活動和繁殖的地方，也常引申為蜂窩狀的多孔物體，如蜂窩電話、蜂窩結構等。

圖 | 蜂窩（來源：Pixabay）

蜂巢由很多房孔組成，每個都是正六角形，每兩個房孔之間會有一堵蠟制的牆，所有房孔的底都是尖的，這個底由三個完全一樣的菱形組成。

據測量菱形的兩個銳角都是 70°，兩個鈍角則都是 109°，并且全世界所有蜂窩均按照上述規則建造。

這樣的結構，讓蜂窩可同時具備高強度和低重量，并且還能隔音和隔熱。借助這一大自然的奇妙法則，很多人造衛星、宇宙飛船、航天飛機都采用蜂窩結構。

受蜂窩結構啟發，清華大學集成電路學院任天令教授聯合制備出一種蜂窩狀多孔石墨烯（HPG）材料，主要利用的原材料為聚酰亞胺薄膜，并主要采用了激光刻劃技術。

圖 | 蜂窩狀多孔石墨烯材料（來源：受訪者）

相關論文以《受蜂窩啟發的多功能石墨烯微結構用于超高性能電磁幹擾屏蔽與可穿戴應用》 （Multifunctional Graphene Microstructures Inspired by Honeycomb for Ultrahigh Performance Electromagnetic Interference Shielding and Wearable Applications） 為題發表在 ACS Nano 上。

圖 | 任天令（來源；受訪者）

其中，任天令和該校楊轶副教授、以及清華大學深圳國際研究生院張盛副教授，為共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：受訪者）

當前，對于自動駕駛、5G 電信傳輸、國防軍工、航空航天、智能可穿戴設備等應用場景的穩定運行來說，電磁屏蔽扮演着 “扛把子” 角色。

任天令告訴 DeepTech，随着物聯網、自動駕駛、可穿戴設備的發展，電路越來越複雜，無論是汽車的中控集成式系統、高性能音響系統，還是體積越來越小的 5G 通信設備（手機及基站），或是要求精度越來越高的儀器儀表，要保證這些電子設備的正常運行，電磁幹擾屏蔽至關重要。

而電子設備工作時，既不希望被外界電磁波幹擾，又不希望自身輻射出電磁波幹擾外界設備及危害人體健康，所以需要阻斷電磁波的傳播路徑，因此自身産生的電磁波需要被吸收，而外界入射的電磁波需要被反射或吸收，這就使得不同屏蔽機制的電磁幹擾屏蔽材料可用于不同的應用場景。

傳統的金屬如銅和鋁等是常用的電磁屏蔽材料，但它們易被腐蝕、密度過高，并且以反射電磁波為主，這會造成二次污染，因此其應用場景受到限制。因此在便攜式可穿戴設備和航空航天材料中，具備優異力學性能和超低密度的電磁屏蔽材料，才是真正的剛需。

基于此，任天令等人使用石墨烯、MXenes（過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物）和金屬納米線，探索具備超低密度、超高電磁屏蔽性能和優異力學性能的複合物。

該石墨烯材料内部模仿蜂巢結構，由微孔結構和豐富的石墨烯邊緣和界面組成，能使得入射電磁波被多次反射和吸收，适合用于超高性能電磁屏蔽應用。

據悉，通過激光功率密度調控，單片蜂窩狀多孔石墨烯材料的厚度可達 25-50 μm，而一片厚度為 48.3 μm 的多孔石墨烯的 SSE 為 1160 dB・³/g，SSE/t 為 240123 dB・²/g，比常見的碳基、MXene、以及金屬材料等高出許多倍，而密度僅有 0.0388 g/³。

把銀納米線（AgNWs）旋塗到石墨烯蜂窩孔表面，蜂窩狀多孔石墨烯材料和銀納米線便可組成一種複合膜，該團隊發現在 X 波段，該複合膜的電磁屏蔽效能，可從蜂窩狀多孔石墨烯材料的 41.2 dB 增加到 61 dB，随着蜂窩狀多孔石墨烯材料層數的增加，複合膜的屏蔽效能也會增加到 110 dB。

圖 | 複合膜的電磁屏蔽性能（來源：受訪者）

通過測試證明銀納米線的加入可顯著提高蜂窩狀多孔石墨烯材料對于電磁波的反射能力。因為，加入銀納米線之後，蜂窩狀多孔石墨烯材料的電導率提高至 2605.4 S/m，相比之下旋塗 MXene 後，電導率隻有 398 S/m。

關于制備步驟，任天令表示一共有四步：

首先，搭建一個帶有激光頭的直寫系統；

其次，将商用的聚酰亞胺薄膜放置于激光頭的下方一定位置處；

然後，設計一個想要得到的圖案，并将圖片導入計算機内控制激光直寫系統的軟件；

最後，設置軟件的特定參數後，即可啟動軟件控制激光頭按照所導入的圖案進行劃刻。待一定時間劃刻完成後，即可在聚酰亞胺表面得到蜂窩狀石墨烯。

圖 | 蜂窩狀多孔石墨烯的制備（來源：受訪者）

談及研究中使用的激光刻劃技術，任天令告訴 DeepTech：“這指的是使用計算機精确操控激光頭的劃刻路徑，在激光頭劃刻材料的表面後，由于高能激光的局部光熱效應，使得材料内部的化學鍵斷裂，從而在其表面原位生成另一種材料。”

研究中，該團隊分别采用功率密度為 16、80、85、90 和 95 mW/² 的激光，在薄膜上制備蜂窩狀多孔石墨烯材料。

他們發現，功率的增加、也會讓蜂窩狀多孔石墨烯材料的蜂窩孔直徑出現增加，這是因為功率越大，在特定時間内碳化形成的氣體就越多，蜂窩孔直徑就會跟着增大。

SEM 掃描電鏡圖顯示，蜂窩狀多孔石墨烯材料的内部結構，是一種蜂窩三維網絡，這能降低材料密度，并增強電磁屏蔽性能。

而且，隻需在計算機中輸入想要的圖案，就能訂制出想要的蜂窩狀多孔石墨烯材料，甚至可以做出刺繡圖案。

關于這一功能，他表示，這是利用計算機中的控制激光頭 X-Y 軸移動的軟件來實現的，将需要定制的圖案（如刺繡圖案）導入該軟件内，軟件通過識别圖案的灰度，在激光頭沿 X-Y 軸移動的過程中，在有圖案的地方打開激光，而沒有圖案的地方關閉激光，從而可以獲得一個定制化圖案的蜂窩狀石墨烯。

另據悉，将石墨烯做蜂窩狀結構的好處在于，材料在面對彎曲、拉伸、扭轉等時，蜂窩結構可使得應力分散，從而避免應力集中導緻材料疲勞損傷的情況發生。

因此，即便給蜂窩狀多孔石墨烯材料做了 1000 次彎曲循環試驗，其電性能也絲毫未損。

任天令解釋稱，蜂窩結構有助于分散材料的應力，避免材料在受力過程中由于應力集中導緻材料的疲勞斷裂或損壞。

此外，蜂窩結構帶來了超高的電磁屏蔽性能。高密度缺陷和多界面的三維蜂窩狀網絡結構中含有豐富的石墨烯邊緣和無序結構，因此，進入材料表面的電磁波會被蜂窩結構的石墨烯多次反射和吸收，最後以熱能的形式耗散。

與此同時，蜂窩結構大大降低了材料的密度，使得材料能以超低密度實現超高電磁屏蔽性能，從而實現輕量化的電磁屏蔽應用，如航空航天和可穿戴電子。

具體來說，蜂窩狀多孔石墨烯材料具備出色的電磁屏蔽性能，并可通過激光功率密度進行調控：

當激光功率處于 80 mW/²時，其電磁屏蔽性能可達 20 dB，并能衰減 99% 的電磁幹擾，滿足消費電子産品的要求完全不在話下；

當功率小于 80 mW/² 時，蜂窩狀多孔石墨烯材料的電磁屏蔽，多以吸收為主；

當功率超過 80 mW/² 時，蜂窩狀多孔石墨烯材料以反射屏蔽機制為主。

圖 | 激光功率對蜂窩狀多孔石墨烯材料結構的影響（來源：受訪者）

對于上述屏蔽機制，任天令分析稱，通過調控激光功率密度，可以獲得不同電磁屏蔽性能的蜂窩狀石墨烯。傳統金屬作為電磁幹擾屏蔽材料，其表面電導率高，趨膚深度小，因此其主要是通過表面對電磁波的大量反射來實現電磁幹擾屏蔽的，這很容易造成電磁波的二次污染。

而以吸收為主的電磁屏蔽材料可以避免電磁波的二次污染，并将電磁波吸收以熱量的形式耗散。

圖 | 蜂窩狀多孔石墨烯材料的電磁屏蔽性能（來源：受訪者）

此外，蜂窩狀多孔石墨烯材料的厚度，也會影響電磁屏蔽性能：單片 48.3 μm 的蜂窩狀多孔石墨烯材料，在 10 GHz 時的電磁屏蔽性能大約是 40 dB，這時它能屏蔽 99.99% 的入射電磁波；當把該材料堆疊到 6 層後，電磁屏蔽性能可達 80 dB，并能衰減 99.999999% 的入射電磁波。

同時，該材料成本較低。任天令告訴 DeepTech，蜂窩狀多孔石墨烯材料的原材料為商用聚酰亞胺，尺寸為 50 cm*100 cm 的商用聚酰亞胺薄膜的價格約為 100 元人民币（不同厚度上下有浮動）。

而市面上由化學氣相沉積法（CVD）生長的銅基底多層石墨烯尺寸 5 cm*5 cm 的價格約為 2000 元（不同質量不同廠家有上下浮動）。相比之下，蜂窩狀多孔石墨烯材料的優勢可見一斑。

而且與石墨烯的 CVD 生長技術相比，該技術工藝簡單、條件溫和可控，制造過程效率高，因此很适合大規模制備。不過任天令也坦言，不同技術制備的石墨烯各有優缺點和用處，不能簡單地一概而論。

圖 | 蜂窩狀多孔石墨烯材料的力學性能及應用（來源：受訪者）

在可穿戴應用上，則可用于監測人體呼吸、脈搏、和喉部運動等微弱生理信号。使用時，不需要将其搭載在其他産品上，其本身就是一個感應傳感器，可直接将其貼敷于人體相應檢測部位（如手腕、喉部等）以實現生理信号監測。

談及落地，他表示：“項目成果落地、科研成果利國利民肯定是最好的，但這需要資本的推動和進一步開發更多的應用場景，（我們希望）提高技術壁壘，打造特色産品。”

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