在中子辐射防护领域，如何在轻质与柔性约束下，实现快中子高效慢化与热中子强吸收的协同统一，始终是制约可穿戴防护装备发展的关键科学与工程瓶颈。传统聚合物基屏蔽材料通常依赖高含量功能填料来提升屏蔽性能，但这往往会破坏基体连续性，导致材料脆化及力学性能显著下降，难以兼顾结构稳定性与服役可靠性。
针对这一问题，四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室石碧院士、廖学品教授团队青年教师王亚平助理研究员提出了一种基于仿生模板与界面工程协同调控的材料构筑策略。该工作以天然皮革（NL）内禀的分级纤维网络为结构模板，利用其多尺度孔道结构及丰富的极性官能团（如羧基、羟基等），将羧基化钨纳米颗粒（W-COOH）与钆离子（Gd(III)）稳定锚定于胶原骨架之中（图1）。
通过自上而下的骨架限域与自下而上的界面化学锚定协同作用，研究团队在保持材料柔韧性的前提下，实现了高达约60 wt%的功能填料高负载集成，实现了高达60 wt%的功能填料负载，在抑制无机纳米颗粒团聚与迁移的同时，维持了骨架结构的连续性与稳定性。
图1. W/NL与WGd/NL复合材料的制备策略与多尺度结构表征
基于上述结构特征，该材料构建了独特的W–H–Gd三元协同屏蔽机制，实现了覆盖快中子（MeV级）至热中子（eV级）的多能区慢化–吸收一体化防护（图2）。在该机制中，钨纳米颗粒以非弹性散射为主导并辅以弹性散射，使高能快中子发生快速能量衰减；随后，胶原基质中富集的氢原子通过连续弹性散射进一步完成中子热化；最终，单原子级分散的钆物种凭借其极高的热中子俘获截面（~46,000 barns）主导低能区吸收过程。该分工明确的协同机制有效提升了宽能谱中子场下的综合屏蔽性能。
这种定量分工下的“1+1+1>3”协同效应，使材料在宽能谱辐射场中展现出卓越的综合屏蔽效率。性能测试与模拟结果表明，在厘米级厚度条件下，该材料对14 MeV快中子的屏蔽效率可提升至约0.95；在241Am–9Be（4.4 MeV）中子源的实验验证中，优化配方体系表现出优于传统聚乙烯（PE）基准材料的屏蔽性能。值得注意的是，在热中子区间，该材料在毫米级厚度下即可实现极高吸收效率：1 mm厚度时吸收率约为96.1%，在2 mm时可提升至99.85%，展现出显著优于传统慢化型材料的吸收能力。
图2. W–H–Gd三元协同屏蔽机制及快中子慢化-吸收一体化屏蔽性能
在力学性能方面，WGd/NL复合材料在高填料负载条件下仍保持优异的结构完整性，其抗拉强度可达10.8 MPa（优于纯PE材料的9.5 MPa），同时杨氏模量低至76.65 MPa，仅为传统PE屏蔽板（310.39 MPa）的约四分之一（图3）。这种高强度与低模量的协同，使材料兼具良好的柔韧性与抗形变能力，加之皮革基体固有的透气性，为极端辐射环境下轻质、柔性、可长期服役的防护装备提供了新的设计范式。进一步地，该研究为生物质基辐射防护材料在先进核能系统与空间辐射防护等领域的工程化应用奠定了重要的材料与理论基础。
图3. WGd/NL复合材料与PE的抗拉强度与杨氏模量对比
四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室王亚平助理研究员为本文第一作者，廖学品教授为通讯作者，石碧院士对本项研究工作给予了重要指导。相关成果发表于Advanced Composites and Hybrid Materials。本研究工作得到了国家自然科学基金（2****279）、天府永兴实验室有组织科研项目（2024KJGG21）及四川省科技计划项目（2025ZNSFSC0932）的资助。
