磁性超材料結(jié)構(gòu)調(diào)整能改變特性

西班牙馬德里卡洛斯三世大學(xué)與美國哈佛大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，只需調(diào)整內(nèi)部磁體排列或施加外部磁場，就能改變磁性超材料的力學(xué)和結(jié)構(gòu)特性。這一成果有望為生物醫(yī)學(xué)、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域帶來更多創(chuàng)新應(yīng)用。相關(guān)研究成果發(fā)表于最近的《先進(jìn)材料》雜志。

超材料作為人工設(shè)計(jì)的智能材料，能夠?qū)崿F(xiàn)自然界材料所不具備的超常物理性質(zhì)（如負(fù)折射率、負(fù)磁導(dǎo)率等）。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地將微型柔性磁體排列成旋轉(zhuǎn)的菱形陣列，通過動態(tài)調(diào)整磁體分布或施加外部磁場，可使磁性超材料整體展現(xiàn)出可調(diào)控的剛度與能量吸收能力。這種“變形金剛”般的特性，此前從未在傳統(tǒng)材料中出現(xiàn)。

在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了磁體取向、剩磁特性及材料剛度間的細(xì)微關(guān)聯(lián)。他們發(fā)現(xiàn)：改變磁體排列方向，或精確調(diào)控磁體間距產(chǎn)生的相互作用，都能讓超材料展現(xiàn)出截然不同的特性。

團(tuán)隊(duì)表示，傳統(tǒng)材料研發(fā)關(guān)注化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)，而對于超材料，可以利用其內(nèi)部幾何形狀和空間排列，賦予其新特性。這種通過幾何構(gòu)型與空間排列實(shí)現(xiàn)性能調(diào)控的新范式，為可重構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)開辟了新領(lǐng)域。

從智能機(jī)器人到航天工程，從運(yùn)動科技到醫(yī)療健康，磁性超材料具有廣泛的應(yīng)用潛力。在軟體機(jī)器人領(lǐng)域，這種超材料可化身為“智能護(hù)甲”，實(shí)現(xiàn)沖擊吸收的自動調(diào)節(jié)；在運(yùn)動鞋底植入這類材料后，其能像“會思考”的彈簧，動態(tài)調(diào)整各區(qū)域軟硬度，從而實(shí)現(xiàn)更高的跑步效能；在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域，這些“磁性精靈”可在磁場引導(dǎo)下疏通血管。（記者劉霞）

【總編輯圈點(diǎn)】

通過簡單改變“內(nèi)部排列”或施加“外部力量”，即可實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)特性的動態(tài)調(diào)控，這種“可編程材料”的理念，為多個(gè)高科技領(lǐng)域帶來了顛覆性思路。值得關(guān)注的是，這一技術(shù)突破了一般材料要依賴化學(xué)組分才能優(yōu)化性能的傳統(tǒng)，轉(zhuǎn)而通過幾何構(gòu)型和磁相互作用來實(shí)現(xiàn)功能重構(gòu)，開創(chuàng)了一種全新的材料設(shè)計(jì)范式。這不僅降低了新材料開發(fā)的成本和復(fù)雜性，也為實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程調(diào)控材料性能提供了可能，更有望成為下一代柔性電子、可穿戴設(shè)備及智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。