山东大学AM：连续导电梯度全有机气凝胶：机器学习助力实现超宽带、超低反射电磁屏蔽

针对上述挑战，山东大学刘久荣教授、曾志辉教授、吴娜教授团队开发了一种具有连续导电梯度（CCG）的全有机气凝胶，并结合机器学习（ML）进行优化。该材料通过扩散控制的原位氧化聚合法，在机械韧性的芳纶纳米纤维（ANF）骨架中制备聚吡咯（PPy）梯度，再经节能、可规模化的常压干燥策略获得。所得CCG气凝胶集成了贯穿厚度的连续PPy梯度与高孔隙率结构，实现了平滑的阻抗过渡和逐级体相微波衰减。优化后的材料在10.24–40 GHz超宽带范围内有效吸收主导带宽（EADB，定义为A>0.9的频率范围）达29.76 GHz，反射率低于0.1，同时总屏蔽效能超过40 dB（覆盖8.2–40 GHz），性能超越现有屏蔽材料。相关论文以“Continuous-Conductivity-Gradient All-Organic Aerogels with Machine-Learning-Assisted Design toward Ultrabroadband, Ultralow-Reflection Electromagnetic Shielding”为题，发表在Advanced Materials上。

【ML辅助设计与制备】

研究团队首先通过示意图展示了制备路线：在预制的多孔ANF骨架中，吡咯经扩散控制的原位氧化聚合，形成全有机CCG气凝胶（图1a）。扫描电镜（SEM）横截面图像清晰呈现了PPy沉积及伴随的孔径沿厚度方向的梯度演变（图1b），其形成机制归因于反应物扩散与聚合的耦合过程（图1c）。实验测得的PPy含量及电导率随深度变化的分布曲线（图1d、1e）与模拟结果高度吻合，证实了梯度形成的可预测性和可编程性，且扩散时间可精确调控梯度分布。为加速结构优化，团队构建了随机森林ML模型，利用电导率数据库预测材料的反射（R）、吸收（A）和透射（T）功率系数（图1f、1g）。ML预测的R、A、T值在8.2–40 GHz（涵盖X、Ku、K、Ka波段）范围内与实验数据紧密匹配（图1h），验证了数据驱动设计框架的可靠性，并确定225分钟为最优扩散时间，使在8.2–40 GHz范围内反射率（R）低于0.1的频段范围最大化。

图1 | ML辅助的CCG气凝胶制备与设计，用于超宽带、超低反射EMI屏蔽。 (a) 制备路线示意图：吡咯在预制多孔ANF骨架内进行扩散控制的原位氧化聚合，形成全有机CCG气凝胶。 (b) 横截面SEM图像，显示PPy沉积的厚度梯度及伴随的孔径演变。 (c) 由耦合反应物扩散与原位聚合主导的梯度形成示意图。 (d) 扩散时间为120、180和240分钟制备的CCG气凝胶的深度分辨PPy含量分布；符号表示实验数据，实线表示模拟结果。 (e) 相应的厚度方向电导率分布；符号表示实验数据，实线表示模拟结果。 (f) 用于ML训练的电导率数据库可视化。 (g) 用于预测CCG气凝胶电磁功率系数的随机森林模型示意图。 (h) CCG气凝胶在8.2–40 GHz（涵盖X、Ku、K、Ka波段）范围内的实验与ML预测的R、A、T值。 

【结构与性能梯度表征】

研究对CCG气凝胶的结构、力学及介电/导电梯度进行了系统表征。XPS和XRD证实了PPy的原位形成。SEM图像（图2a–c）显示从顶部到底部，PPy含量逐渐减少，孔径逐渐增大，呈现开放的疏松网络。深度分辨的FTIR光谱（图2d）中，PPy特征峰随深度减弱而ANF峰增强，定量证实了PPy的单调递减。力学测试（图2e）表明，顶部压缩强度（3.17 MPa）和模量（6.14 MPa）远高于底部（0.93 MPa和1.30 MPa），归因于富含PPy的致密骨架；其压缩性能与已报道的典型有机及含无机成分气凝胶相比具有竞争力（图2f）。电导率实测分布与模拟吻合（图2g）。介电性能（图2h）中，实部（ε'）和虚部（ε''）随深度系统变化，调制阻抗和耗散能力；对应的Cole-Cole图（图2i）显示多重极化弛豫与传导损耗共存，协同驱动宽带衰减。

图2 | ML辅助优化导电梯度的CCG气凝胶的结构表征及深度依赖性性能。 (a–c) 从CCG气凝胶顶部、中部和底部区域获取的SEM图像，显示孔径从顶部至底部（深度减小）逐渐增大，PPy负载量逐渐减少。 (d) 深度分辨FTIR光谱，其中PPy特征峰随深度减小逐渐减弱，而ANF峰逐渐增强，证实PPy含量从顶部到底部降低。 (e) CCG气凝胶顶部、中部和底部区域的压缩强度与压缩模量。 (f) CCG气凝胶与已报道的全有机及含无机成分气凝胶的压缩强度与压缩模量对比（见表S1）。 (g) 采用ML辅助优化扩散时间（225分钟）制备的CCG气凝胶的实验深度依赖性电导率分布。 (h) 典型X波段（8.2–12.4 GHz）内不同深度处测得的复介电常数实部（ε'）和虚部（ε''），及（i）相应的Cole–Cole图，显示气凝胶的极化和传导损耗。 

【EMI屏蔽性能与吸收主导机制】

图3展示了CCG气凝胶解决高屏蔽效能与低反射之间矛盾的能力。在8.2–40 GHz超宽带范围内，优化材料的总屏蔽效能（SET）超过40 dB，且吸收损耗（SEA）远高于反射损耗（SER）（图3a）。实验测得的功率系数A、R、T与ML预测高度一致（图3b），各频段平均反射率分别低至0.108（X）、0.089（Ku）、0.084（K）和0.075（Ka），且在10.24–40 GHz超宽频内R持续低于0.1。衰减机制示意（图3c）表明：低PPy的入射面实现良好阻抗匹配，减少表面反射；进入内部后，PPy含量和电导率递增，增强传导损耗，同时丰富的ANF/PPy界面和孔隙结构促进极化损耗和多散射。与无梯度对照样相比（图3d–f），尽管两者SE值相近，但CCG气凝胶将平均R从0.58降至0.108，A从0.42提升至0.89，表明能量优先被体相耗散而非反射。与已报道的低反射屏蔽材料相比（图3g），CCG气凝胶平均R值优势显著；其有效吸收主导频宽（EADB，A>0.9）达29.76 GHz（图3h），远超现有材料，且长期暴露于空气中性能稳定。

图3 | CCG气凝胶的EMI屏蔽性能。 (a) 优化CCG气凝胶在8.2–40 GHz（涵盖X、Ku、K、Ka波段）的超宽带EMI屏蔽性能（SET、SEA和SER），(b) 相应的R、A和T；左面板显示ML预测结果，右面板显示相应实验数据。 (c) CCG气凝胶吸收主导EMI屏蔽机制示意图。 (d) CCG气凝胶与无连续导电梯度对照气凝胶在典型X波段（8.2–12.4 GHz）的EMI SE对比，以及相应的(e) SET、SER和SEA值，和(f) R、A和T值。 (g) CCG气凝胶与已报道EMI屏蔽材料（表S2–S4）的平均R值对比。 (h) A值和EADB与现有先进EMI屏蔽材料（表S5）的对比。 

【场与能量耗散机制及微观电子起源】

全波模拟揭示了吸收主导屏蔽的能量耗散路径。当电磁波从阻抗匹配的PPy-贫侧入射时，CCG气凝胶内部的电场和磁场强度沿厚度逐渐衰减（图4a、4b），功率损耗密度呈体相均匀分布（图4c）；而无梯度对照样则因入口阻抗严重失配，场强在界面处高度局域化（图4d、4e），功率损耗集中于表面（图4f），呈现反射主导特征。能量分配分析（图4g、4h）进一步证实，连续梯度通过平滑的阻抗过渡抑制前表面反射，并通过内部多次反射的相消干涉降低反射振幅，使更多能量进入体相被传导、极化和散射损耗。第一性原理计算（图4i–k）显示，ANF与PPy复合后功函数从6.822 eV（ANF）和3.721 eV（PPy）变为3.928 eV，界面费米能级重新排列；态密度（DOS）分析表明费米能级附近电子态重叠增强，带隙变窄，利于载流子激发和输运；电荷密度差图证实界面处显著的电荷再分布，产生大量偶极子和极化位点。宏观阻抗梯度与微观界面耦合协同，赋予了CCG气凝胶卓越的超宽带吸收主导屏蔽性能，并展现出雷达散射截面（RCS）缩减的潜力。

图4 | CCG气凝胶吸收主导屏蔽的场与能量解析起源。 (a–c) CCG气凝胶在8–40 GHz范围内电场强度、磁场强度和功率损耗密度的模拟空间分布。 (d–f) 无连续导电梯度对照气凝胶的相应分布。 (g) CCG气凝胶的衰减机制示意图（g1），以及模拟的吸收与反射能量分配（g2）。 (h) 无梯度气凝胶的模拟吸收与反射能量。 (i) 计算所得原始ANF、原始PPy和ANF@PPy复合材料的功函数。 (j) 原始ANF和原始PPy（左）及ANF@PPy复合材料（右）的态密度（DOS）。 (k) 计算所得ANF@PPy界面的电荷密度差。

【总结与展望】

本研究报道了一种ML辅助的全有机CCG气凝胶制备策略，实现了超宽带、低反射EMI屏蔽。该方法通过扩散控制的原位聚合与常压干燥，在韧性的ANF骨架上构建了PPy含量、孔隙率和导电性的平滑厚度梯度，解决了传统屏蔽-反射的权衡。ML预测、CST模拟与实验的精确吻合验证了数据驱动优化的高效性。最终优化的CCG气凝胶在10.24–40 GHz频段实现了29.76 GHz的有效吸收主导带宽（A>0.9），同时保持40 dB的总屏蔽效能和低至0.089的平均反射率。场与能量分析及第一性原理计算表明，连续导电梯度抑制了入口阻抗失配，促进了波穿透和体相耗散。该工作建立了可规模化、通用的框架，将ML与连续梯度工程结合，为开发轻质、高性能、吸收主导的EMI屏蔽材料开辟了新途径，推动了兼具屏蔽与吸收能力的下一代电磁功能材料的发展。