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，北京航空航天大学的谢勇副教授、陈子瑜教授和科罗拉多大学的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。