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近年来，航空航天事业蓬勃发展，越来越多的飞行器已进入太空探索浩茫宇宙，甚至于美国国家航天局（NASA）近期已开放国际空间站欢迎普通民众进行太空探索和旅行。但是高昂的发射成本在一定程度上影响着航空航天事业的发展，在目前的技术下，发射1克物体的成本约为1克黄金的价值。气凝胶作为目前已知的最轻固体材料（最低密度仅为0.16 mg/cm3），也因此受到研究者的关注。此外，气凝胶材料还具有较好的绝热性和抗冲击能力。目前气凝胶已经应用于航空航天领域，但主要集中在绝热材料方面，如何使这些轻质的固体材料拓展到可操控单元领域正成为当前一个重要且极具价值的研究课题。气凝胶材料本身由于稳定的物理化学性质，使得其对常规外部激励源如光、电、磁、热等无法产生响应，因此其在智能控制单元方面的应用研究，长期以来进展缓慢。
为解决这一问题，陈子瑜教授领导的研究团队结合我校航空航天特色和课题组多年在磁学与磁性材料领域的研究积累，由谢勇副教授与博士生李园园尝试开展超轻磁体在智能控制单元方面的探索性研究，通过在气凝胶中掺杂取向的铁磁纳米颗粒获得了具有可编程能力的超轻气凝胶磁性材料——即“空气磁体”。这一设计结合了磁操控远程无接触和气凝胶网络超低密度的特点，根据已有的研究结果，预计“空气磁体”将在单元航空航天器件领域获得广阔的应用。
研究团队首先利用匀强磁场实现了前驱物溶液中铁磁颗粒的均匀排列，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，最终，经过临界干燥获得“空气磁体”（见图1）。该制备方法也可以扩展到其他气凝胶和铁磁颗粒系统中，同时其简单、大尺寸的材料制备方法有利于规模化生产。
图1 超轻磁性气凝胶的制备流程。
内部颗粒的一致取向使得“空气磁体”具有良好的磁各向异性。同时由于“空气磁体”的铁磁性来源于其内部的铁磁颗粒，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。为了展示样品的轻质和铁磁性，研究团队利用一个直径为2cm的环形磁铁实现了磁悬浮。在获得磁操控能力的同时，“空气磁体”依然保持着气凝胶良好的绝热性和疏水性能，保证了在极端环境下的适用性。
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)。
“空气磁体”内部的磁畴方向是由溶液状态时施加的外部磁场决定的，因此通过设计外部磁场，可以控制“空气磁体”内部的磁畴。当施加非均匀场时，可以实现多畴样品的制备。研究团队以双畴为例，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，研究团队设计并展示了磁开关的功能。
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)。
可编程超轻的“空气磁体”可应用于航空航天及智能器件领域，例如轻质微型卫星、飞行器的元器件等方面，空间站内设备，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，将对航空航天事业的进步产生积极影响。
谢勇副教授也曾是陈子瑜教授的博士生，在北航取得博士学位，2014年加入北航物理学院从事教学、科研工作，期间在科罗拉多大学博尔德分校进行了为期一年的交流访问，目前已成长为“微纳物理与应用”研究团队的骨干成员之一。“微纳物理与应用研究室”与科罗拉多大学Ivan Smalyukh教授研究组保持着长期合作关系，并推动北航物理学院与该校物理学院签订了国际合作协议。本报道研究成果的部分工作是博士生李圆圆在Smalyukh教授研究组交流期间结合两课题组特色，应用双方优势研究条件完成的。目前微纳物理与应用研究室与本成果相关的研究兴趣主要聚焦在三个方面：一是纳米颗粒的液晶态自组装以及在光子器件中的应用；二是发展具有磁响应的软物质材料以及在智能器件中的应用；三是发展新颖的多孔纳米材料以用于污水处理和净化。论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b04818
C&EN新闻链接：https://cen.acs.org/materials/Featherweight-magnets-made-aerogels-embedded/97/web/2019/12
（审核：李广超）
编辑：贾爱平
