PNAS封面: 实验室中的向日葵—光驱动柔性磁性材料

kongke

致动器（Actuator）是一种能够响应外界信号驱动进而产生形状变化或力学输出的器件。大家熟知的光、电、磁和热等均是良好的信号，例如，光诱导鲜花随着太阳转动、电致伸缩、磁致伸缩和热致形状记忆均可以看作致动器。其中，光信号无线传输和高分辨率的特点给光驱动材料带来了优势。但是，当前的光驱动材料形变简单，位移量小，系统结构复杂。因此，如何在简单的结构中实现复杂运动是光驱动材料的难题之一。

【成果简介】
近日，塔夫斯大学Fiorenzo G. Omenetto博士的团队在PNAS发表题为“flexible magnetic composites for light-controlled actuation and interfaces”的最新研究成果，Meng Li和Yu Wang是该文章的共同第一作者。研究人员选取居里温度是391 K的CrO2为功能填料，混合柔性基体制备了柔性磁性材料。当该材料处于磁场中时，在磁力作用下，材料产生初始位移或形变，然后利用光照射材料，控制材料温度，进而调整材料的磁性强弱（光照射，温度升高，磁性下降，反之磁性恢复），最终实现材料的机械运动和形状变化。以此为基础，研究人员利用该材料实现了复杂的运动动作。

【研究亮点】
（1）以材料的磁性和温度的关系为原则，通过光照控制材料温度，调整材料磁性，影响其受力情况，在磁场中以光为信号，无线控制了材料的运动行为。
（2）利用简单的制备方和光控制系统实现了复杂的运动动作。
（3）光具有高分辨率，可通过局部选择性照射，将简单的动作协调组合成复杂的运动。

【主要内容】
磁性材料的磁性强弱和温度息息相关，一般而言，随着温度的升高，磁性下降。当材料温度达到磁性转变点（居里温度，由物质的化学成分和晶体结构决定）时，材料是顺磁性，磁性非常弱，外磁场对其作用力很小；当温度低于该温度时，材料表现铁磁性或亚铁磁性，外磁场对其作用力大。该现象在工业中应用广泛，例如，电饭锅的安全设置就来源于此，在电饭锅底部放置一块居里温度处于105-110摄氏度的磁铁，当电饭锅温度高于此温度后，磁性材料的磁性消失，电源断开，停止加热。

【总结与展望】
研究者以铁磁材料磁性强弱和温度的关系为准则，制备磁性柔性复合材料，巧妙地通过对光信号的无线控制，在磁场中实现了弯曲和扭转等动作的控制。在此基础上，研究者通过结构设计，将这些简单动作协调组合成复杂动作，丰富了该材料的功能特性，拓宽了其应用范围。


【文献链接】
Flexible magnetic composites for light-controlled actuation and interfaces. （PNAS, 2018. DOI: 10.1073/pnas.1805832115）

原文链接：
http://www.pnas.org/content/115/32/8119