近日，材料科学与技术学院教授姚正军团队在《Nature Communications》期刊发表了题为“Phenolic multiple kinetics-dynamics and discrete crystallization thermodynamics in amorphous carbon nanostructures for electromagnetic wave absorption”的研究论文，博士生陶佳麒为第一作者，姚正军和副教授周金堂为第一单位通讯作者。
在这项研究中，团队提出了一种协同工程，通过酚醛多重动力学和离散结晶热力学来阐明非晶碳介电属性的起源以及电磁波吸收（EWA）过程中的级联效应。利用酚醛合成的可扩展性设计了数十种形态的酚醛结构，并结合原位热解建立了一个包含数百种非晶碳材料的纳米材料生态系统。基于可控的离散结晶，不对称结构的纳米曲率调控，以及多壳层结构的表面电场增强，多尺度电荷不平衡触发了强烈的极化。实验和理论均表明，每个尺度都是必不可少的，共同推动了宽带吸收（8.46 GHz）和高效耗散（-54.77 dB）的EWA性能。这项工作在非晶纳米结构平台和级联效应方面的研究有助于揭开非晶物理和电磁波吸收研究中缺失的部分。
随着通信技术的飞速发展，电磁辐射的功率密度已超过自然水平的1018倍，与流行病学、生理反应以及电子设备可靠性之间建立了显著的相关性。尽管晶体学和计算机科学可以指导EWA材料的设计以减轻电磁污染，但这并不适合非晶系统。非晶单元在空间排列上的短程有序和长程无序使得其内在属性难以捉摸。此外，非晶物理中多尺度统一物理定律的缺乏，使得非晶材料更加神秘。因此，非晶物质及其电磁属性调控的真相是凝聚态物理和材料科学交叉领域中最前沿、最引人入胜且最具挑战性的基本科学课题之一。
通过酚醛缩聚反应可以在纳米微米尺度上设计形貌，从而产生一系列结构精美的酚醛树脂纳米颗粒。为了精细操纵形态，探索了不同实验条件下的关键酚类生长动力学，包括温度、有机蚀刻溶剂和氨浓度。基于酚醛生长动力学对纳米结构形成的发现，调整了正交实验，通过修改酚醛生长动力学或引入新的动力学来开发变异的空心结构，如多孔空心、碗状空心和链状空心。
将前一轮得到的产物作为种子，为随后生长得到的酚醛提供生长位点。结合 Layer-By-Layer 过程实现多种动力学的自由叠加，并构建一系列多壳结构。而后对酚醛进行碳化，得到继承前体结构、结晶性可控的非晶碳样品。
测量并分析了数百组样品的电磁参数以及EWA性能。发现EWA 非晶体系不同尺度参数之间的相互作用逐渐表现出级联效应（即不同空间维度内部机制的连锁反应），而不仅仅是单纯的叠加。具体机理为：
1）sp2/sp3杂化原子结构中离散、丰富的sp2域是介电特性的最初起源，与后续形态调制的有效性密切相关。原子构型决定的介电特性在结构调制过程中会累积多次，并最终传递到整体性能中。
2）大区率纳米表面以及多壳的非对称结构逐步放大了整体极化。多个尺度上累积的电荷不平衡结合在一起，产生了联锁和跨尺度介电损耗的集体行为，从而使非晶系统能够高效运行并耗尽电磁波。
将电磁性能数据以 K-Means 聚类的方式绘制圆形热点图，观察级联效应的有效性。统计结果表明，在 700 °C 时始终获得优异的吸收带宽，验证了非晶态碳中离散石墨微晶诱导的共轭-非共轭界面极化有利于宽带吸收。同时，多壳非对称结构在低填充条件下的性能尤为突出，形态与吸收带宽的关系遵循多壳非对称结构>多壳 对称结构>非多壳结构的趋势。
总之，团队通过构建具有高空间维度多样性的非晶纳米结构平台，连接了不同尺度的机制与宏观行为。通过对数百套非晶碳样品的热力学调控，研究了其在分隔尺度上的复杂集体电磁波吸收行为，揭示了级联效应。这种效应贯穿整个系统，从原子构型到纳米界面和微观形态，促进了介电极化在电磁防护中的应用。作者们希望这种非晶纳米结构的方法和对跨学科、跨尺度级联效应的解释能够扩展非晶科学在材料研究中的可行性。
这项工作得到了国家自然科学基金、国防工业技术发展计划项目、江苏省前沿引领技术基础研究重大项目、江苏省研究生研究与实践创新计划项目、南京航空航天大学显微镜与分析中心和苏州国家实验室的支持。
课题组简介：近年来，团队结合国家材料产业布局与国际前沿新材料发展趋势，积极开展理论探索、科学创新、技术攻关、成果转化等研究工作，形成多个创新型研究课题及探索方向，包括：微纳吸波功能体、防腐/吸波一体化材料、吸波超材料与吸收/波束调控材料等。研究成果在Nat. Commun., Adv. Funct. Mater., Nano-Micro Letter, Adv. Powder Mater., J. Mater. Sci. Technol等国际、国内高水平期刊发表SCI论文200余篇，申请/授权中国发明专利60项，研究成果受到同行的广泛关注。