重庆大学张育新等综述：自然之鉴—仿生微波吸收材料的进展与前景

研究背景

受到自然生物进化出的复杂形态和细微结构的显著电磁响应能力的启发，仿生吸波材料表现出巨大的应用潜力。源于对自然界生物结构的深入研究，这类材料在军事隐身技术、通信干扰抑制等领域具有广泛的应用前景。通过模仿生物体的精妙结构，仿生微波吸收材料不仅实现了微波能量的高效吸收，还克服了传统微波吸收材料在柔性和适应性方面的局限，推动了微波吸收材料技术的进一步发展。

Lessons from Nature：Advances and Perspectives in Bionic Microwave Absorption Materials

Dashuang Wang, Tuo Ping, Zhilan Du, Xiaoying Liu*, Yuxin Zhang*

Nano-Micro Letters (2025)17: 100

http://doi.org/10.1007/s40820-024-01591-2

本文亮点

1. 详细介绍了仿生物体的分类、仿生吸波材料在今后将带来的多样化影响和应用。

2. 从海洋生物、昆虫、植物到动物，不同的仿生对象，系统地介绍了仿生微波吸收材料的多功能应用，从微波吸收到防腐，再到机械、电子、可穿戴设备等。

3. 讨论了仿生微波吸收材料的理论基础和仿真计算。

内容简介

仿生微波吸收材料，源于自然生物结构的精妙启示，致力于探索高性能微波吸收材料的新途径。通过模仿生物微观结构，结合先进材料科学，实现高效微波吸收，为军事隐身、通信防护等领域带来革新，展现出广泛的应用前景和科研价值。受自然界生物复杂形态和微妙微观结构演化出的卓越电磁响应能力的启发。

重庆大学张育新教授，陆军勤务学院刘晓英教授等人深入探讨了仿生微波吸收材料(BMAMs)的研究进展和未来应用潜力。文章阐述了通过巧妙的微观结构设计和合理的成分选择来实现高性能微波吸收材料的重要性，同时强调了仿生制造所提供的创新策略。此外，本文详细分析了如何从海洋生物、植物、动物以及自然界中的非金属矿物等复杂结构中汲取灵感，来设计和开发具有卓越电磁波(EMW)吸收性能的BMAMs。此外，本文还深入探讨了BMAMs的理论基础，特别是宽带吸收方面的最新突破。通过采用仿真建模和仿生梯度设计等先进方法，揭示了BMAMs微波吸收机制的科学原理，从而为理解和优化其性能提供了坚实的理论基础。最终，这篇综述旨在为相关领域的研究人员提供有价值的见解和灵感，促进BMAMs研究的共同进步。

图文导读

I 仿生材料的仿生机理

如图1所示，仿生灵感的对象包括多种生物体，从动物和植物到人体器官。仿生学主要通过结构仿生学和功能仿生学两个方面来达到其目的。结构仿生学包括复制生物体的宏观或微观结构，以达到意想不到的目的。与此同时，功能仿生学模仿生物体固有的机械、光学、声学、电气和磁性能力。例如，由蜡质材料组成的荷叶上的微纳分层“乳突”结构，使其具有超疏水和自清洁特性。此外，变色龙体内鸟嘌呤颗粒的周期性排列形成天然光子晶体，呈现出动态颜色范围，说明了功能仿生的丰富性和复杂性。此外，值得注意的是，化学成分在仿生学中也起着关键作用，因为它经常决定生物结构的独特性质和功能。通过了解和结合天然材料的化学成分，研究人员可以开发具有增强性能和新功能的人工系统。

图1. 仿生材料的仿生机理。

如图2所示，如果将各波段的频率由低到高排列，分别为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、x射线和伽马射线。频率为300 MHz-300 GHz的EMAs称为微波，属于无线电波的高频段。根据吸收机理，MAMs的吸收剂主要分为介电型、磁介质型和电阻型。MAMs的工作原理如图2(b)所示。当入射EMW照射到MAMs表面时，它们会被反射、吸收或透射。性能优异的MAM应满足两个必要条件：第一，尽可能多地允许EMW进入材料，即适当的阻抗匹配；其次，进入材料的EMW应尽可能地耗散，即所谓的衰减特性。如何在原有的基础上进一步提高MAMs的性能是一个无法回避的话题。

图2. (a)不同波段对应的频率、波长及其应用；(b) MAMs的吸收机理；(c)不同的生物表面功能基；(d)仿生学与MAMs结合示意图；(e)仿生原始尺度设计示意图。

II 功能仿生学示例

如何将生物的先天功能或结构与微波吸收结合起来是一个难题。如图3和图4所示，图3介绍了功能仿生学的例子，如竹子的单位结构可以衍生为多层结构的MAMs，人鼻孔的过滤可以衍生为EMW的吸收。图4为结构仿生学。生物表面的微观或宏观结构为实验提供了创作灵感，如松枝的针状结构，荷叶的多孔结构，海胆的发散结构。生物材料的天然优势为研究人员带来了广泛的材料。

图3. 功能仿生学示例。

图4. 结构仿生学示例。

III 各类仿生微波吸收材料实例

近年来，纳米技术的进步极大地促进了海洋生物仿生微波吸收材料的研究。受到鳗鱼和章鱼等海洋生物出色的隐身能力的启发，研究人员成功制备了多种结构相似的微波吸收材料。这些材料通过模仿海洋生物的光敏机制，在材料表面构建纳米阵列，形成仿生微结构，从而实现对EMW的高效吸收。这些仿生船用MAMs不仅可以显著降低雷达和红外探测中的反射信号，还可以提高军事装备的隐身能力，并且具有良好的耐腐蚀性，特别适用于海洋环境。其优点是重量轻、有效吸收带宽(EAB)、吸收性能好、耐候性强、抗老化、防潮、耐压、长期使用、无毒、环保。这些进展为仿生吸波材料的开发和应用提供了新的方向和思路。

图5. (a)海胆层状仿生吸波材料的机理与性能；(b)海星C/CoNiO的SEM图像；(c)仿生龙虾壳EMW吸收器；(d)多层N/C交替气凝胶的设计、制备和表征；(e)天然珊瑚电磁隐身的综合复合材料模拟活力图；(f)复合材料的太赫兹和红外光谱隐身性能及适应性KTNO和KTNO/rGO纳米复合材料的电化学和机理分析

但目前微波隐身材料的可扩展性不足，限制了其应用范围。为了克服这一挑战，科学家们从穿山甲身上获得灵感，提出了一种基于软硬连接策略的新型微波吸收材料。传统的微波吸收结构和体积吸收结构存在拉伸的局限性，限制了它们在可变形或异形目标上的应用。为了克服这些限制，受穿山甲启发，提出了一种概念新颖的软-刚性连接策略。

图6. (a) PIM具有优异的机械变形能力；(b)球形圆顶和鞍形表面的装置的吸收能力；(c)具有优异宽带吸收性能的仿生超材料设计思路图；(d)作为微吸收超材料的仿生蛾复眼微观结构；(e)真实蛾眼表面微观结构的扫描电镜图；(f)甲虫翼鞘颜色随环境湿度的变化及翼鞘结构示意图；(g)双宽带可调电磁吸收网格结构设计示意图；(h)模拟变色龙双宽带可调电磁吸收网格结构设计示意图。

生物界的各种植物以其独特的精细形态和丰富的孔洞结构，在吸收EMW领域显示出不可估量的潜力。这种潜力不仅来自于它们复杂的生物结构，还来自于它们在能量传输和转化方面的优异性能。在探索MAMs的过程中，科学家们从植物中汲取灵感，将植物与生物遗产材料相结合，以创造更高效、更环保的MAMs。植物BMAMs模拟植物的微观结构，通过模仿植物叶片或茎的多孔分层结构，实现对EMW的高效吸收和转化。同时，结合生物材料优良的形貌和优异的电子输运特性，这些仿生微波吸收材料可以在更宽的频带内实现高效吸收，并在高温高湿等恶劣环境下保持稳定的性能。

图7. (a) C@NiCo2O4仿生材料制备流程图及性能图；(b)仿生花状Fe3O4/Fe复合材料微波吸收机理及性能图；(c)叶蝉微结构电磁响应行为；(d)仿生类石榴无定形碳基材料吸波机理及性能图；(e)源自荷叶的梯度层状多孔C/MoS2形态遗传复合材料的吸波机理及性能图；(f) 类似于松叶的分层结构的SEM及性能图。

在自然界中，蜂窝结构以其独特的机械性能和几何美学而闻名。其有序的孔隙结构不仅重量轻、强度高，而且具有优异的电磁波衰减特性。受此启发，研究人员开始探索蜂窝结构在吸波材料设计中的应用，旨在模仿大自然的精致构造，开发出新颖、高性能、高性价比的吸波材料。仿生蜂窝吸波材料通过对材料微观结构和成分的精确控制，实现电磁波的高效吸收和转换。其独特的三维蜂窝结构不仅增加了材料的比表面积，为电磁波提供了更多的散射和反射路径，而且通过内阻和介质损耗机制将电磁波能量耗散为热能或其他形式的能量。这种设计方法不仅提高了材料的吸收性能，而且降低了其密度和重量，为设备轻量化提供了潜力。因此，仿生蜂窝吸波材料的研究具有重要的学术价值和广阔的应用前景。

图8. 仿生蜂窝状MAMs的SEM、性能及示意图。(a)：三维蜂窝纳米复合材料；(b)：具有集成功能结构吸波材料；(c)：碳包覆铁基复合材料；(d)：细胞结构CNF和HEA。

生物模型在几亿年的进化中已经近乎完善，其相应的功能模型具有“精准”调控的特点。一方面，它可以避免材料设计和制备过程中的试错过程，另一方面，生物体的生存环境决定了其体表微结构模型的复杂性，其体表功能基元除了某些主要功能外，还具有许多附加功能。例如，飞蛾的复眼除对主要可见光外，还具有良好的抗反射功能。珍珠质除了是一种天然的光子晶体外，还具有良好的增韧作用。这为MAMs的多功能化提供了一个有效的例子，有望解决不同功能之间的矛盾，使MAMs具有更好的实际应用价值。

图9. (a)穿山甲MAMs在球形压痕试验中的加载力及归一化压痕位移曲线；(b)甲虫鞘翅MAMs抗应力实验结果；(c)模拟珊瑚MAMs的相对阻力与压缩应变的关系，不同应变下的电流变化；(d) 20次快速热冲击循环前后仿生纤维素MAMS的弯曲应力-应变曲线

仿生微波吸收材料以其独特的防腐和EMWA双重功能，在工程和恶劣环境应用中显示出至关重要的地位。这种材料不仅能有效吸收EMW，减少电磁干扰，而且具有优异的耐腐蚀性能，保证在盐雾、潮湿等恶劣海洋条件下长期稳定运行，为海洋勘探、通信和防护提供可靠的技术支持。为了提高电磁器件在恶劣环境下的环境适应性和生存能力，双功能微波吸收器的发展面临着挑战。

图10. 仿生吸波材料具有微波吸收和防腐两个典型案例。(a)仿生神经元；(b)仿生竹节点。

理论是指导实验的基石。MAMs的机理模型除超材料外均为传统模型，因此很难在MAMs上取得突破，而且超材料本身也有一定的局限性。如何利用仿生微波吸收材料诱导和引导吸波材料成为其突破的基本条件。对于MAMs而言，单独实现宽带吸收并不困难，但如果将其限制在深亚波长厚度，即厚度远小于波长，则仍然难以实现这一目标，这主要是由于Plank-Rozanov极限的限制。

图11. (a)真实蛾眼表面微观结构的数字和SEM图像以及毫米级超材料的实验和模拟反射损耗；b)仿生手性材料照片和不同畸变角度手性材料照片的RL及相应的场分布；(c)马耳实蝇照片及不同孔径和周期间隔的仿生标本和板样的SEM图像。

IV 仿生微波吸收材料理论计算

BMAMs的仿真基于电磁场理论，通过计算软件精确模拟EMW在材料中的传播、反射和吸收，以评估和优化材料的吸收性能。该方法可以模拟自然界中生物的独特结构，从而设计出具有优异EMW吸收性能的仿生材料，为电子对抗、隐身技术等领域提供创新解决方案。在仿生材料领域，仿真在理解和优化其性能方面起着至关重要的作用。使用COMSOL Multiphysics、HFSS (High Frequency Structure Simulator)、CST (Computer simulation Technology)等常用仿真软件包对这些材料进行建模和分析。

图12. (a)仿生超材料的Smith图，其中Rx为样品的归一化阻抗；(b)模拟平板和仿生超材料在峰值频率下的功率损耗、电场和磁场；(c)免疫遗传算法流程图；(d)入射TE极化微波作用下，优化尺寸的仿生超材料与平板的反射损耗比较；(e)极板和生物激发超材料的相位和群延迟比较；(f)模拟电流分布的金属极板模型和相应的彩色图；(g)最大电磁保护效率。EMW体积损耗密度、样品的三维远场辐射图；(h)考虑实际状态的电场云图和表面功率损耗密度云图仿真结果；(i)三阶导数状态下的实验与仿真结果对比。

图13. (a)仿生纤维素微波吸收材料的阻抗匹配图和成分梯度图，以及性能对比图与Fe/C梯度分布图进行对比；(b)竹材仿生元结构图和微波吸收力学性能图；(c) CB/PLA-TPU 3D打印仿生竹结构制备工艺图；(d)微波吸收器电池的几何参数及性能曲线的优化。

V 总结

本文从自然界中发现的复杂形态和细微微结构的显著电磁响应能力出发，综述了仿生微波吸收材料的研究进展和未来的应用潜力。此外，本文还详细分析了如何从自然界中海洋生物、植物、动物和非金属矿物的复杂结构中汲取灵感，设计和开发具有优异微波吸收性能的仿生微波吸收材料。此外，本文还深入探讨了BMAMs的理论基础，特别是宽带吸收领域的最新突破。通过结合仿真建模和仿生梯度设计等先进方法，阐明了微波吸收机理的科学原理，为理解和优化其性能提供了坚实的理论基础。仿生材料的灵感来自蝴蝶翅膀、磁感受器蛋白质和树叶，具有独特的优势，如轻质强度、宽带吸收、高灵敏度和生物相容性。它们是环保和可持续的。然而，它们的生产可能很复杂，成本也很高，而且可能无法满足高性能要求，也无法在大规模工业应用中进行扩展。传统的吸波材料虽然更简单，可扩展性更强，但可能缺乏这些性能特征，并且具有更大的生态足迹。在仿生和传统之间的选择取决于特定应用的平衡性能、成本和环境考虑。

综上所述，MAMs的研究在取得显著进展的同时，还面临着一系列的理论和应用挑战。为了进一步提高MAMs的性能，扩大其应用范围，未来的研究可以从以下几个方面进行探索：

(1)厚度和宽带吸收性能：进一步降低材料的厚度实现宽带吸收，突破Plank-Rozanov极限，使吸收材料在深亚波长厚度处具有优异的性能

(2)拓扑模型与定量评价：利用拓扑理论或其他数学和物理模型，定量评价仿生有序材料的EMA吸收性能，为材料设计提供更准确的理论指导。

(3)开发新的理论模型：开发新的数学、物理和仿生模型，突破传统MAMs理论模型的局限性，进一步提高吸波性能。

(4)多波段兼容性和功能性：解决MAMs与其他波段(如红外、可见光等)的兼容性问题，研究多波段适应性，开发多功能吸收材料

(5)将仿生微波吸收材料的生产从实验室原型扩大到工业规模，需要在材料一致性、过程控制、成本效益和可扩展性方面面临挑战。

从仿生微波吸收材料的角度来看，可以通过(1)加强仿生研究；(2)多尺度结构设计；(3)高性能复合材料开发；(4)理论建模与仿真；(5)环境适应性研究等途径探索实现更宽频率范围和更低频率的有效吸收带。总之，实现更宽、更低吸收频带的仿生微波吸收材料需要多学科的方法，整合仿生学、材料科学、物理学等领域的知识和技术。通过不懈的研究和创新，有信心开发出更高效、稳定和环保的吸波材料，为电磁屏蔽、隐身技术、无线通信和其他相关领域的进步做出重大贡献。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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