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基于气凝胶的超轻可编程“空气磁体”

近年来,航空航天事业的蓬勃发展,使越来越多的飞行器进入太空探索宇宙,甚至太空旅行计划使得普通人也可以完成自己的“太空梦”。但是高昂的发射成本一直阻碍着航空航天事业的发展,在目前的技术条件下,发射1克物体的成本约等价为1克黄金的价值。近日,北京航空航天大学谢勇副教授、陈子瑜教授和科罗拉多大学Ivan Smalyukh教授合作领导的研究小组制备了基于气凝胶的超轻可编程的“空气磁体”,有望应用于航空航天及智能器件领域,以降低发射成本。


作为目前已知的最轻固体材料,气凝胶材料受到了航空航天领域研究者的广泛关注。气凝胶的最低密度仅为0.16 mg/cm3(真空中),为空气密度的八分之一,并且具有较好的绝热性和一定的抗冲击能力,因此是航空航天领域的理想材料。但在推广至某些响应器件时,由于材料本身稳定的物理、化学性质,使得其对常见的外部激励如光、电、磁、热等无法产生响应,导致其在航空航天领域的智能器件制备方面一直进展缓慢。


最近,北航及合作团队提出的基于气凝胶的超轻可编程“空气磁体”有望解决这一问题。研究团队利用匀强磁场实现了铁磁纳米颗粒(如单晶钴纳米棒或钡铁氧体纳米盘)在气凝胶前驱体溶液中的均匀取向排列,然后通过气凝胶前驱物固化形成的网络结构将铁磁颗粒紧紧束缚,经过临界干燥可获得超轻的空气磁体。制备的样品具有良好的铁磁性和磁各向异性,可以实现快速、精准的磁操控。其磁化强度的大小可以通过掺杂铁磁颗粒的浓度进行线性调节,同时通过设计外部磁场,可以控制空气磁体内部的磁畴,以双畴为例,研究团队利用两个相反的磁场制备了具有相反磁畴的双畴空气磁体,在同一磁场下,空气磁体的两部分分别展现了吸引和排斥的外部磁响应,利用双畴气凝胶的这一特点,研究者设计并展示了磁开关的功能。


空气磁体结合了磁操控远程无接触的特点和气凝胶超低密度的优点,将在航空航天智能器件领域具有广阔的应用前景,例如轻质微型卫星、航天器的元器件等方面,以及空间站内宇航员和设备,以及宇航员之间相对进程的非接触控制单元,发展的空气磁体将会减少航天航空设备的发射成本,并不断推动航空航天事业的进步。

图1 超轻磁性气凝胶的制备流程。


图2 单畴气凝胶中钴纳米棒的一致取向测量(a, b),磁各向异性测量(c)以及磁化强度的调控(d−f),和磁悬浮(g),疏水(h)及绝热性能(i)的展示。


图3 双畴气凝胶的设计示意图(a-c),在相反磁场下的磁响应(d, e),以及相邻处形成的畴壁(f),磁化曲线测量(g)和磁各向异性测量(h),最后,通过磁开关展示了其潜在应用(i, j)。


图4 超轻磁性气凝胶在磁场下的稳定性(a, b)以及铁磁纳米颗粒与气凝胶网络相互作用分析(c-e),以及力学性能的测试(f)。


这一成果近期发表在ACS Nano 上,北航博士研究生李圆圆为文章的第一作者。该研究工作被C&EN[1]专题报道。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Programmable Ultralight Magnets via Orientational Arrangement of Ferromagnetic Nanoparticles within Aerogel Hosts

Yuanyuan Li, Qingkun Liu, Andrew J. Hess, Shu Mi, Xiaoduo Liu, Ziyu Chen, Yong Xie, Ivan I. Smalyukh

ACS Nano, 2019, 13, 13875-13883, DOI: 10.1021/acsnano.9b04818


C&EN新闻链接:

1. Featherweight magnets made from aerogels embedded with nanoparticles

https://cen.acs.org/materials/Featherweight-magnets-made-aerogels-embedded/97/web/2019/12


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