艾锐偏振成像分离器助力实现石墨烯纤维微观“直播”

近日，北京大学科研团队的一项新突破给石墨烯纤维内部的微观世界开了一场“现场直播”：清晰展示了石墨烯纤维内部微观结构的动态变化。艾锐科技的高精度偏振成像分离器成功助力团队搭建起光学偏振实时监控系统，系统性揭示了结构取向与吸波性能之间的内在规律，也为下一代高性能、轻量化微波吸收材料的研发奠定了基础。相关成果发表在材料学顶级期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。

行业瓶颈：核心观测技术成关键缺口

石墨烯等低维纳米碳材料一直被看作是制造高性能微波吸收的优质材料。将它们组装成宏观纤维后，兼具高效吸收电磁波和柔韧轻便的优势，但长期以来，其应用一直受到两大方面的制约：一方面，电磁波难以穿透材料表面，会出现“阻抗失配”的问题；另一方面，即使电磁波能够进入材料内部，能量也无法完全损耗掉。

Figure 2. Operando characterization and unified description of GO orientation distribution in fibers. a–d) Operando orientation distribution images of GO/Alg fibers spun at drawing speeds of vAlg (a), 2vAlg (b), 6vAlg (c), and 8vAlg (d). Short line segments indicate local orientation directions. Black pixels can be considered as background regions (see details in Note S3, Supporting Information). The spinneret is shown in gray. Insets in (a-d) show photographs of the corresponding GO/Alg fibers wound on a 9-cm-long bobbin. e–h) Corresponding xy-plane cross-sectional SEM images of the fibers in a-d after freeze-drying. Orange dashed lines serve as visual guides highlighting sequential semi-ellipsoid shell-like structures. i–l) Simulated xy-plane cross-sectional structures matching the SEM images in (e–h). R, fiber radius; L, long axis length of the semi-ellipsoid shell. m) Local orientation, average transmittance, and diattenuation distribution extracted from the regions marked with white arrows in (a–d) and Figure S7a (Supporting Information). Solid lines represent fitting curves based on the semi-ellipsoid shell model. Experiment data (hollow circles) are extracted from Figure 2a–d, Figures S5f–o and S7 (Supporting Information) using the method described in Figure S7 (Supporting Information).

图 2. 纤维中氧化石墨烯取向分布的原位表征与统一描述。a–d) 在a) 1倍海藻酸钠初始牵引速度、b)  2倍海藻酸钠初始牵引速度、c)  6倍海藻酸钠初始牵引速度和d) 8倍海藻酸钠初始牵引速度下纺丝的氧化石墨烯/海藻酸钠纤维的原位取向分布图像：短线表示局部取向方向。黑色像素可视为背景区域（详见支持信息中的注释S3）。喷丝头以灰色显示。a-d 中的插图为对应氧化石墨烯/海藻酸钠纤维缠绕在9厘米长绕线轴上的照片。e–h) 冷冻干燥后，a-d 中纤维对应的xy平面横截面扫描电子显微镜图像。橙色虚线作为视觉引导，突出连续的半椭球壳状结构。i–l)模拟的xy平面横截面结构与（e–h）中的SEM图像相匹配。R为纤维半径，L为半椭球壳的长轴长度。m) 从 a-d 和图S7a中白色箭头标记区域提取的局部取向、平均透射率和二向色性分布。实线表示基于半椭球壳模型的拟合曲线。实验数据（空心圆）提取自图 2a-d、图S5 f-o和图S7，所用方法详见图 S7。

业内早有发现，石墨烯在纤维内部的排列方向（取向）是提升性能的根本办法，就像木材的纹理决定其强度一样，排列方向对纤维的电磁特性有着至关重要的影响。但长期以来，由于缺乏精准实时的微观观测技术，既无法在纤维制备过程中精准调控石墨烯的排列方向，也不能实时观察其变化过程，这一核心问题一直制约着石墨烯纤维吸波性能的提升。

偏振分身：艾锐产品打造微观观测“火眼金睛”

为了破解这个“看不清”的难题，研究团队专门搭建了一套完整的取向精细调控策略和定量原位表征系统，通过同步偏振测量技术并结合高速相机实现高速成像采集图像，并实时分析这些图像数据，直接算出每一处石墨烯的排列角度、透光率，甚至能画出一张“结构取向地图”，把石墨烯片在流场里“怎么动、怎么定型”的全过程，像“现场直播”一样呈现出来。而艾锐科技的偏振成像分离器，为这套平台提供了同步高效率偏振分光技术支持。

• 首先，它能同时分离最多4个任意方向的偏振态，并且它的“保偏度”特别高，能精准捕捉光的偏振信息——这是看清石墨烯排列方向的关键；

• 其次，它也能同时分离最多4种光谱，给多色活体生物样本提供了快速成像方案。

性能飞跃：精准调控实现超强吸波效果

通过对大量实时数据的分析，团队建立了“半椭球壳层模型”，成功将纺丝过程中的流体参数与最终的石墨烯取向关联起来，实现了对纤维结构的精准预测和设计。

实验显示，经过结构优化的石墨烯纤维，吸波性能实现了质的飞跃。它的有效吸收带宽达到6.28 GHz，意味着能同时高效吸收极宽频率范围内的电磁波；最小反射损耗低至-66.7 dB，相当于能将99.9998%以上的入射电磁波能量转化为热能消耗掉。在同等填料含量的情况下，这一性能远超绝大多数已报道的碳基吸波材料。

进一步的电磁仿真分析发现：当石墨烯片更倾向于径向排列时，电磁波能更深入地渗透到纤维内部，从而实现更均匀、更高效的能量耗散，从根本上解决了长期困扰行业的“阻抗失配”和“能量衰减不足”两大难题。

总结

此项研究不仅制备出了高性能的石墨烯吸波纤维，更重要的是提供了一套从实时观测、精准调控到性能优化的完整研发框架。艾锐科技的偏振成像分离器自身高保偏度、高稳定性的优势，为研究成功提供了不可缺少的硬件支撑，也充分展现了该系统在高端材料研发领域的核心价值。