會 “隱身”、能控溫、可變形！中科大 “磁力魔毯” 解鎖智能材料新玩法
文章來源：賢集網 更新時間：2025-09-29 15:20:47
|
在阿拉伯神話里，那條能隨主人心意變換形態、承載夢想的 “飛毯”，曾是人類對材料 “智能響應” 的最初遐想。如今，這一跨越千年的想象，在合肥的實驗室中照進現實 —— 中國科學技術大學（USTC）李木軍副教授團隊聯合裴剛教授、張世武教授，成功研發出一種被稱作 “百變磁力魔毯” 的磁控智能功能表面。這項發表于細胞出版社旗下儀器設備領域旗艦期刊《Device》的成果，不僅打破了傳統可編程材料的性能瓶頸，更以其獨特的設計，為智能材料的應用開辟了全新賽道。 01 傳統困境：可編程表面的 “速度與穩定” 難題 在智能材料領域，“可編程功能表面” 始終是科研界的重點探索方向。這類材料能根據需求靈活調整自身的光學特性（如顏色、反射率）、潤濕性（如疏水或親水）甚至黏附性，因此在自適應偽裝、建筑節能、生物醫療等領域有著不可替代的潛力 —— 比如軍事裝備可通過改變表面顏色融入環境，建筑外墻能隨季節調整吸熱效率，醫療芯片可精準控制液體流動。 但長期以來，一個核心矛盾制約著這類材料的實用化：快速響應與穩定維持難以兼顧。現有技術往往陷入 “二選一” 的困境：一方面，場響應材料（如磁性液體、電活性聚合物）雖能實現毫秒級的狀態切換，卻像 “沒有記憶的木偶”—— 一旦撤去外部能量（如磁場、電場），表面狀態會立即恢復原狀，必須持續耗能才能維持所需功能，既不經濟也不便于實際應用； 另一方面，形狀記憶材料或功能涂層技術雖能 “記住” 編程后的狀態，卻又陷入 “慢動作” 困境 —— 以形狀記憶聚合物為例，改變狀態需要經歷 “加熱 - 變形 - 冷卻” 的完整周期，整個過程往往耗時數分鐘甚至數小時，無法滿足需要快速調整的場景。 如何讓材料既能 “快速變”，又能 “穩定存”？這一難題，成為李木軍團隊研發的核心突破口。 02 核心突破：三極鎖定與脈沖編程的雙重創新 “百變磁力魔毯” 的奧秘，藏在其微觀結構與控制方式的雙重創新中。這種智能表面并非單一材料，而是由成千上萬個毫米級的 “磁控單元” 陣列組成 —— 每個單元都像一頁可靈活翻轉的 “微型書頁”，通過精準調控這些 “書頁” 的狀態，就能實現表面功能的整體變化。 三極鎖定：讓狀態 “不耗能也能穩” 團隊為每個磁控單元設計了獨特的 “三極鎖定機制”：單元由一個可翻轉的磁性 “片” 和兩個固定的磁性 “條” 組成，三者形成穩定的磁力平衡，類似三角形的幾何穩定性。在無外部干預時，磁性 “片” 只會停留在兩個固定狀態之一 —— 要么完全向上（定義為 “狀態 1”），要么完全向下（定義為 “狀態 0”），無需任何外部能量輸入，就能長期保持狀態穩定。 這種設計從根本上解決了 “穩定維持” 的難題：就像門閂扣緊后無需持續用力，磁性單元的狀態一旦鎖定，即便經歷輕微振動或溫度波動，也不會輕易改變。團隊通過實驗驗證，當磁性條的高度控制在單元寬度的 20% 時，系統能達到最優平衡 —— 既具備足夠的鎖定力（可承受 2 毫米彎曲變形、20% 拉伸而不失效），又不會因鎖定力過強影響后續調整。 脈沖磁針：讓編程 “精準又快速” 要改變單元狀態，團隊研發了配套的 “脈沖磁針” 技術。與傳統持續供能的磁場不同，這種磁針能產生瞬時強磁場（強度超過 90 毫特斯拉），且磁場持續時間極短 —— 不足 100 毫秒。就像用 “磁性畫筆” 在表面 “作畫”：移動磁針時，瞬時磁場會短暫突破三極鎖定的能量壁壘，推動磁性 “片” 翻轉；一旦磁針移開，單元會立即被鎖定在新狀態，整個過程無需持續耗能。 這種 “脈沖編程” 方式不僅高效，還具備極高的靈活性：既可以對單個單元進行局部調整，也能對整片陣列進行批量編程，編程速度達到 “秒級”—— 比如在 10×10 的單元陣列上呈現 “USTC” 字樣，整個過程僅需幾秒鐘，且圖案能穩定保持數周。 此外，材料選擇的細節也為功能落地提供了支撐：磁性 “片” 采用高剩磁、高矯頑力的釹鐵硼永磁材料，確保磁性穩定；表面涂層則根據功能需求定制 —— 實現顏色變化時用高對比度顏料，調控潤濕性時用超疏水 / 超親水涂層，管理溫度時用不同反射率的材料；所有組件都集成在幾毫米厚的柔性基底上，兼顧了靈活性與耐用性。 03 功能實測：從顏色變幻到形狀重構的多維調控 實驗室中的 “百變磁力魔毯”，早已不是單一功能的 “噱頭”，而是能實現多維度調控的實用化原型。團隊通過一系列實驗，充分驗證了其在顏色、潤濕性、溫度、形狀四大維度的調控能力，每一項功能都直指具體應用場景。 顏色調控：從信息存儲到動態偽裝 通過編程不同單元的顏色狀態，“魔毯” 能像顯示屏一樣呈現字符、圖案，甚至播放簡單動畫。實驗中，研究人員在單元陣列上快速編程出 “USTC” 的英文縮寫，圖案邊界清晰，且無需任何能量就能穩定保持 —— 這意味著它可用于長效信息存儲，比如在工業設備表面顯示參數、在公共空間實現可更換的標識。 更具價值的是動態偽裝能力：通過連續調整單元顏色，表面能快速匹配周圍環境的色調 —— 從森林的綠色到沙漠的土黃色，再到雪地的白色，切換過程僅需數秒。這一特性若應用于軍事裝備，能極大提升其隱蔽性，讓坦克、裝甲車在不同地形中 “隱身”。 潤濕性調控：讓液滴 “按路線行走” 潤濕性是材料表面與液體相互作用的關鍵特性，“魔毯” 通過編程可在同一表面同時實現 “超疏水” 與 “超親水” 區域的精準劃分。實驗中，團隊在表面編程出親水與疏水相間的 “棋盤格” 圖案：當水滴落在表面時，會自動避開疏水區域（接觸角達 152 度），沿著親水區域（接觸角僅 95 度）流動；通過動態調整親水路徑，還能實現液滴的 “定向輸運”—— 就像為水滴鋪設了無形軌道，讓其從起點精準抵達終點。 這種能力在生物醫療領域極具潛力：比如在微流控芯片中，無需復雜的機械閥門，僅通過調整表面潤濕性，就能控制試劑的流動與混合，大幅簡化芯片結構，提升藥物篩選、病理檢測的效率。 溫度調控：打造 “按需控溫” 的表面 “魔毯” 的控溫能力源于對反射率的精準調控 —— 高反射率表面能反射更多紅外輻射，溫度更低；低反射率表面則吸收更多輻射，溫度更高。實驗顯示，在相同紅外輻射條件下，兩種表面的溫差可達 10-15 度。通過編程不同區域的反射率，團隊在表面創建出復雜的溫度分布圖案：紅外相機下，亮區（高反射）溫度低，暗區（低反射）溫度高，邊界清晰可辨。 這一功能若應用于建筑外墻，將成為 “節能神器”：夏天時，外墻編程為高反射率，減少吸熱，降低空調能耗；冬天時切換為低反射率，增加吸熱，減少供暖需求。初步計算顯示，這種智能外墻可降低建筑總能耗 15%-20%；若應用于電子設備表面，還能針對性地為發熱元件降溫，避免設備因局部過熱損壞。 形狀變形：從平面到三維的 “動態重構” 最令人驚嘆的是 “魔毯” 的形狀變形能力 —— 通過改變單元的磁化方向，同一表面在外加磁場驅動下，可呈現出四種基本三維形態：山峰狀、山谷狀、馬鞍狀、扭曲狀。更創新的是，形狀變形可與其他功能 “同步實現”：比如讓表面在變成 “山峰” 的同時，峰頂呈現紅色、山谷呈現藍色，實現 “形狀 + 顏色” 的雙重調控。 這種特性為軟體機器人研發提供了新思路：未來的軟體機器人可采用這種智能表面作為 “皮膚”，通過編程不同區域的變形模式，實現爬行、游泳甚至飛行等多種運動；無需復雜的內部機械結構，僅通過表面變形就能完成抓取、搬運等動作，讓機器人更靈活、更適應復雜環境。 04 嚴苛考驗：經得住 “千錘百煉” 的實用化基礎 任何科研成果要走向應用，都必須經受穩定性與耐久性的 “考驗”。李木軍團隊針對 “百變磁力魔毯” 開展了一系列嚴苛測試，結果證明其具備極強的環境適應性與使用壽命。 在機械穩定性測試中，編程后的表面經歷了 1000 次彎曲循環（彎曲半徑僅 2 毫米）、500 次拉伸循環（拉伸率 20%），單元狀態保持率超過 99.5%；即便在頻率 20 赫茲、振幅 5 毫米的劇烈振動下持續 1 小時，狀態改變率也低于 0.1%—— 這意味著它能適應汽車、機器人等需要頻繁運動的場景。 在環境適應性測試中，表面在 - 20℃至 80℃的溫度范圍內能正常工作，覆蓋了從北方寒冬到南方酷暑的大部分自然環境；在 85% 相對濕度的高濕環境中放置 30 天，性能無明顯衰減；經過相當于戶外暴露 1 年的紫外線照射后，表面顏色、潤濕性等功能依然完好 —— 滿足建筑外墻、戶外設備等長期暴露場景的需求。 疲勞測試則進一步驗證了其使用壽命：單個單元經過 10 萬次狀態切換后，響應時間僅從初始的 80 毫秒增加到 85 毫秒，鎖定力衰減不足 5%。按每天切換 100 次計算，系統可穩定工作近 3 年，完全能滿足工業、醫療等領域的長期使用需求。 05 未來圖景：滲透多領域的智能材料革命 “百變磁力魔毯” 的意義，不僅在于一項技術的突破，更在于為智能材料發展提供了新范式 —— 它證明，通過巧妙的結構設計而非復雜的材料合成，就能解決看似矛盾的性能需求（快速響應與穩定維持），為后續研究提供了借鑒。 目前，團隊已啟動產業化推進工作：一方面計劃將單元尺寸從毫米級縮小到百微米級，實現更高的調控分辨率，比如用于高清動態偽裝或微型設備；另一方面開發自動化編程系統，未來用戶可通過軟件界面直接設計表面功能，無需手動操作脈沖磁針，大幅降低使用門檻。 從應用場景來看，這項技術正逐步滲透到多個領域： 軍事領域：自適應偽裝系統可實時調整裝備的顏色、紅外特征，讓武器裝備在復雜地形中 “隱身”； 建筑領域：智能外墻、屋頂可動態調控吸熱與散熱，助力 “零碳建筑” 發展； 生物醫療領域：可編程微流控芯片可加速藥物篩選、病原體檢測，推動精準醫療； 軟體機器人領域：“智能皮膚” 讓機器人具備環境適應能力，可應用于救災、深海探測等極端場景。 這項研究得到了科技部國家重點研發計劃、安徽省自然科學基金、中科大 “雙一流” 計劃等項目的支持，其成果也被團隊成員、論文第一作者吳紀旸視為 “智能材料普及的起點”：“我們希望未來的功能表面能像今天的觸摸屏一樣常見，成為人機交互、環境交互的新載體。” 當材料不再是被動的 “靜態存在”，而是能主動響應、適應環境的 “智能系統”，人類與物理世界的互動方式將被重新定義。中科大 “百變磁力魔毯” 的誕生，不僅讓神話中的 “飛毯” 走進現實，更預示著一個由中國智造引領的智能材料新時代，正加速到來。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_585814.html 來源：賢集網 著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請注明出處。 |
相關新聞
- [2025-09-29]·石化化工行業明確“十五五”發展
- [2025-09-28]·2025中國國際化工展覽會—— 看
- [2025-09-28]·化工新材料勇闖“新競技場”
- [2025-09-28]·工信部等六部門：壯大先進無機非
- [2025-09-28]·《石化化工行業穩增長工作方案（
- [2025-09-29]·會 “隱身”、能控溫、可變形！
- [2025-09-29]·突破“滲透性—選擇性”瓶頸 新
- [2025-09-29]·金風科技100萬噸綠色氫氨醇項目
- [2025-09-29]·聯泓格潤EVA裝置中交
- [2025-09-29]·塑料添加劑市場續增動力強
主辦單位：山東省化工情報信息協會
山東省濟南市文化東路80號郵編：250014電話：0531—86399950、86399980、86399990傳真：0531—86399186
山東化工網在線交流：
Copyright(C)山東省化工情報信息協會 版權所有 備案號：魯ICP備2021036540號
山東省濟南市文化東路80號郵編：250014電話：0531—86399950、86399980、86399990傳真：0531—86399186
山東化工網在線交流：
Copyright(C)山東省化工情報信息協會 版權所有 備案號：魯ICP備2021036540號
魯公網安備 37010202001033號