基于多尺度手性耦合的电磁响应特性与电磁损耗机理研究

Chiral microwave absorbing materials have attracted much attention due to their unique helical structure, which can cause cross polarization of electromagnetic field and broadband absorption. However, the relatively low absorption capacity limits its further development. Herein, we propose to construct a dual-chirality helical structure by hybriding single-handed chiral polyaniline nanoarrays on the surface of single-handed helical polypyrrole nanostructures, achieving the broadband high-performance microwave absorption. Firstly, we will systematically investigate the helical structure control, electromagnetic losses and absorbing properties of helical polypyrrole nanostructures, and establish the structure-activity relationship between the helical structure and electromagnetic properties. Secondly, the chiral polyaniline nanoarrays will be introduced on the surface of helical polypyrrole nanostructures by in situ polymerization to form the dual-chirality nanohybrids. We will carry out the experimental studies on the microwave absorption performance and the influences from the helical structure, multilevel interface and polymerization conditions of nanohybrids. Theoretically, we will investigate the multiscale chiral coupling mechanism and its evolution law and response mechanism of the electromagnetic characteristics based on the systematically characterization and simulation calculation. Furthermore, combined with the studies on the electromagnetic properties of single-handed helical polypyrrole, helical polyaniline and helical polypyrrole@polyaniline, we will reveal the electromagnetic loss mechanism based on the multiscale chiral coupling.

手性吸波材料因其独特螺旋构造可引起电磁场的交叉极化与宽频吸收等优点而引起人们的广泛关注。但是，其相对较弱的吸波能力则限制了它的进一步发展。为此，本项目提出在单一手性螺旋聚吡咯组装结构表面引入另一单一手性聚苯胺纳米阵列，凭借其双重手性杂化结构的多尺度手性耦合协同效应实现对电磁波的宽频高效吸收。首先，针对单一手性螺旋聚吡咯的螺旋结构控制与吸波性能进行系统研究，建立螺旋结构与电磁性能间的构效关系；其次，在其表面可控构筑单一手性螺旋聚苯胺纳米阵列，从实验角度研究杂化结构的吸波性能及其受结构、界面及聚合条件等材料学特性的影响规律，理论层面上采用系统表征与模拟计算相结合研究多尺度手性耦合机理及其对杂化结构电磁特性的演变规律与响应机制。在此基础上，通过对比研究单一手性的聚吡咯、聚苯胺及螺旋聚吡咯@非手性聚苯胺的电磁学特性，阐释基于多尺度手性耦合的电磁损耗机理与调控机制。

针对新型复合探测背景下吸波材料轻质宽频的迫切需求，探索宽频吸波材料设计调控新策略和电磁波宽频响应新机理，对于拓展吸波材料应用途径具有重要的科学意义。本项目围绕具有特殊电磁响应行为的手性材料，系统研究了手性结构参数对于电磁波衰减行为的影响规律；通过结合分子动力学模拟、电磁仿真模拟和蜂群拟合计算等技术，解析了损耗过程中微观电磁基元的动态响应模式和宏观电磁参数的演变规律，阐明手性结构参数与吸波性能之间的内在联系和调控机制。在此基础上，探索出吸波材料多层级手性结构构筑及优化方案，研究了多种介电型轻质吸波材料(聚苯胺、聚吡咯、碳纳米管及石墨烯等)的多尺度手性结构形成机理和演变规律，阐明了多尺度手性材料响应过程中的电-磁转化机制和极化单元弛豫模型，重点研究了多级手性结构对电磁波衰减的协同增强效应；建立了各级手性结构的等效电磁响应模型，验证了手性结构尺度、手性结构参数及次级结构弥散度对于电磁响应频段的特征选择性，重点阐明了典型手性结构谐振点与吸收峰之间的对应关系和差异规律；进一步研究了多尺度手性耦合增强效应与宽频吸波性能间的内在联系，剖析了结构效应对于电磁参数表达的调控机制，重点分析了阻抗匹配特性优化拓宽的本征机理和构效关系，总结提出多尺度手性电磁模型下材料的损耗模型和衰减机制。通过优化调控手段和工艺参数，最终实现了多尺度手性吸波材料有效吸收带宽增长至8.9 GHz，其低负载率、低厚度及宽频段等特征优势，使其有望成为前沿性的宽频吸波材料。项目团队进一步拓展了研究内容，探索了手性吸波复合材料的调控构筑策略，系统研究了手性杂化材料在严苛环境下的吸波性能稳定性，提出了吸波材料吸波防腐一体化的设计方法，阐明了手性结构与二维片层协同作用下的防腐防护机理，最终设计了一类能够长效耐蚀的手性宽频吸波材料。