随着通信技术的普及应用，电磁污染已成为人类日常生活的主要污染之一，兼具“强、宽、轻、薄”特性的电磁波吸收材料的研制迫在眉睫。碳基吸波材料由于其轻质、耐腐蚀和适当的介电性能等特性被认为是理想的吸波材料之一，但单一的碳基吸波材料存在阻抗匹配性较差、吸收频段较窄的缺点。因此，将异质组分以梯度结构与碳基材料结合，形成多组分、多尺度结构调控策略是解决该问题的有效方法之一。然而，目前梯度组分的引入存在步骤复杂、耗时耗能的问题，且鲜有针对纳米尺度梯度结构的精确设计和微波吸收机制的报道。基于此，苏州纳米所基于竞争反应策略在空心碳壳层中构建了纳米尺度的梯度弥散结构（Air@G-Fe/C），在电磁波吸收性能方面显示出突出优势，为纳米尺度梯度分布的导电结构设计提供了一种新的方案。
一、Air@G-Fe/C纳米球结构分析
工作首先对制备的Air@G-Fe/C纳米球进行了结构分析。研究表明，Air@G-Fe/C纳米球与前驱体都表现出Fe元素的梯度分布特性，且在SiO2模板表面形成了均匀的包覆。离轴电子全息成像分析显示在正偏压下Air@G-Fe/C纳米球的静电势会呈现出多层同心环效应，形成大量的从内部到外部的极化现象。与传统的均匀弥散结构相比，这种超细铁颗粒在中空碳壳中形成的梯度嵌入结构有利于同时改善界面极化，增强电磁波反射损耗和提高阻抗匹配。
二、Air@G-Fe/C纳米球吸波性能分析
研究结果显示，Air@G-Fe/C纳米球在15.8 GHz和1.95 mm厚度时，电磁波吸收强度达到-62.7 dB，有效吸收带宽达到6.4 GHz，覆盖了整个C波段、X波段和Ku波段。通过调节Air@G-Fe/C纳米球中Fe纳米粒子的分布特性，可有效的提高其电磁波吸收强度和吸收带宽。相较于传统的梯度分布结构，本工作在吸收强度、有效吸收带宽、结构调控精度和轻质特性等方面都展现出性能优势。
三、Air@G-Fe/C纳米球吸波机制研究
进一步地，工作还对Air@G-Fe/C纳米球吸波机制开展了研究。电磁波吸收主要依赖介电损耗、磁损耗和阻抗匹配等特性的协同作用。本工作发现由于电子在3D互连网络结构和纳米碳壳中的迁移，介电损耗成为Air@G-Fe/C纳米球的主要吸波机制，而电导损耗又主导了介电损耗过程。研究表明，借助铁纳米颗粒的梯度分布设计，会造成电导率的逐渐增加，进而引起电磁波的多重反射效应，有效的提高Air@G-Fe/C纳米球的阻抗匹配特性。
该研究工作提出了一种具有梯度分布结构和微波吸收可调的纳米空心碳球吸波材料的制备方法，为新型微波吸收材料的设计、研究和实际使用提供了新的方案。相关工作以Hollow Gradient-Structured Iron Anchored Carbon Nanospheres for Enhanced Electromagnetic Wave Absorption为题发表于Nano-Micro Letters，论文的第一作者是中国科学院苏州纳米所博士后吴操博士，通讯作者是苏州纳米所康黎星研究员、张永毅研究员和李清文研究员。该工作获得了国家自然科学基金、中国博士后科学基金和江苏省博士后科研基金等项目资助。