“消失的它”？南大学者隐身材料新突破

2024年6月，南京大学现代工程与应用科学学院朱嘉教授团队开发了一种基于金纳米颗粒自组装的类皮肤超材料，成功实现了在黑暗环境下的可见光和红外双波段隐身。这项工作为具有灵活多波段调制且适用于多种应用场景的类皮肤超材料提供了新范式，相关成果近日发表于国际学术期刊《科学·进展》（Science Advances）。

类皮肤超材料的提出

隐身技术的目标是使物体与其环境融为一体，从而难以被相机、红外热成像仪和雷达等探测设备发现。随着探测技术的不断进步，单一波段的隐身技术已无法满足实际需求，多波段兼容的隐身技术变得尤为重要。

夜间或外太空伪装是隐身技术的重要应用。为了实现这一目标，材料需要具备高可见光吸收率以适应黑色背景，同时具备低红外发射率以抑制红外热辐射，从而实现可见光和红外双波段的兼容隐身。

为此，该团队开发了一种独特的基于金纳米颗粒自组装中空柱（NPAHP）的跨尺度三维多级结构（图1A）。该结构在不同尺度上的特征结构单元，主导了不同波段的光学特性。具体地，对于长波红外波段，纳米级结构（颗粒和柱）带来的效应可以被忽略，基于有效介质理论，其光学性质取决于金的总体填充比。而对于中红外和可见波段，其光学吸收性质分别由亚波长中空柱的多重散射效应和金属纳米颗粒的局域表面等离激元（LSPR）效应主导（图1B-D）。

图1. NPAHP基类皮肤超材料的示意图及机理

简单模板法实现理想隐身材料

进一步的模拟分析结果显示，通过精细的结构设计，基于NPAHP的多级结构能够分别基于金纳米颗粒的LSPR杂化效应、亚波长尺度中空柱的多重散射以及宏观系统的有效介质理论，实现可见光、中波红外和长波红外波段的协同调制，从而定制出理想的高度选择性光谱（图2）。实验上，该团队利用简单的自下而上的模板自组装法，制备了理想的类皮肤隐身材料，其在可见波段的吸收率高达0.947，中波/长波红外波段的发射率低至0.074/0.045（图3）。

图2. NPAHP基类皮肤超材料的光学模拟

图3. NPAHP基类皮肤超材料的制备和表征

隐身材料的可穿戴性和高温隐身性能

除了光学上理想的选择性光谱以外，基于NPAHP的类皮肤超材料具有超薄厚度（~0.6 μm）和周期性的通孔，其结构上呈现类皮肤的可依附性和透气性。从而能与人体手指紧密附着，在可见和红外探测下，该手指均能很好地隐藏于背景环境中，为可穿戴伪装领域带来了新的应用可能性（图4）。

更重要的一点是，受益于该材料极低的红外发射率，其在高温下呈现出优异的红外隐身效果，将其用于模拟的飞机引擎上时，可将发动机的辐射温度从~674 K，降至~353 K（图5），大幅提升了高温环境下的隐身性能。

图4. NPAHP基类皮肤超材料优异的依附性和透气性

图5. NPAHP基类皮肤超材料优异的高温隐身性能

该团队利用自下而上的策略，首次提出并构建了具有可见光至长波红外波段宽带调制能力的多级三维全金属结构。这使其区别于其他复杂材料系统。且该结构设计策略具有普适性，可以扩展到其他金属体系。

该团队制备的此类皮肤超材料具备灵活的多波段调制、高制造通量、优异的粘附性和透气性以及出色的高温伪装性能，预计将在多场景/功能伪装和热调节等实际应用中开辟新的道路。

此外，该研究团队预期未来这种基于单层NPAHP的薄膜可以有效地与其他材料结合，实现更多波段兼容的伪装和5-8 μm范围内的散热，从而进一步扩展其应用场景。

来源：南京大学