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PNAS封面: 实验室中的向日葵—光驱动柔性磁性材料

PNAS封面: 实验室中的向日葵—光驱动柔性磁性材料

【研究背景】

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),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。

PNAS封面: 实验室中的向日葵—光驱动柔性磁性材料

图1 磁性材料的微观组织和光驱动的原理展示

(A, D, E, G, H, I, J) 磁性材料的展示,包括薄膜、海绵、块体和水凝胶;

(B, C, F) 磁性材料的微观组织,功能填料沉降,在C-side面富集;

(K) 光驱动原理,磁性薄膜置于磁铁周围时,薄膜受磁力,向磁铁方向弯曲,磁力和薄膜回复力处于平衡状态,光照射薄膜,温度升高,磁性减弱,薄膜逐渐恢复至竖直状态。

要点解释:光驱动材料是基于材料磁性强弱和温度的关系实现的,如图1K所示。将磁性薄膜放置在磁铁附近,薄膜受到磁场力Fm的作用,向磁铁弯曲,在某位置达到平衡。薄膜在激光照射下,温度升高,薄膜受到的磁场力Fm减小,薄膜逐渐远离磁铁。停止激光照射后,薄膜温度下降,磁性增强,磁场力Fm增大,薄膜向磁铁弯曲,达到新的平衡。

PNAS封面: 实验室中的向日葵—光驱动柔性磁性材料

图2 激光照射和磁性材料温度的关系

(A) 激光功率对磁性材料温度的影响,功率越大,温度越高,此外,CrO2填料的含量对温度影响不大;

(B) 激光工作和非工作时,磁性材料的升温和降温曲线;

(C, D) CrO2在不同温度下的磁性能,测试获得的居里温度是395 K;

(E) 热膨胀对磁性材料位移的影响,CrO2沉降产生微观组织不均匀,使得热膨胀不均匀,当激光的入射面不同时,材料受力产生弯曲的方向不同。

要点解释:图2表明,激光照射功率越高,材料温度越高。当激光功率是145 mW时,其温升可达100 K。由于CrO2具有良好的光吸收率,当其含量较低时,温度变化仍然接近100 K。此外,磁性材料升温和降温速度很快,有利于对其运动动作进行控制。

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图3 光驱动材料的在磁场中的运动和动作重复性

(A) 磁性材料在激光照射下的运动动作,激光关闭时,材料向磁铁弯曲,激光照射时,材料逐渐远离磁铁,激光关闭后,材料重新向磁铁弯曲;

(B) 激光功率对磁性材料位移的影响,功率越大,材料的温度越高,磁性越小,位移越大;

(C) 磁性材料在激光照射开关转换中,运动动作具有良好的重复性。

要点解释:磁性薄膜在激光照射和磁场力的作用下,能够产生毫米级的运动位移,明确了该设计的可行性(图3A和3B)。此外,磁性薄膜的运动具有优异的重复性。当激光开始和关闭的间隔时间是5s时,薄膜完成了300次重复运动,并且性能没有任何损失。

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图4光驱动材料多才多艺的应用

(A, B) “软手臂”对物体的捕获、释放和移动;

(C) “机械花瓣”的向光性;

(D) “居里引擎”连续不段的转动。

要点解释:在明确激光功率、照射时间和材料成分对运动的影响规律的基础上,研究者通过对光的无线控制,在磁场中实现了该材料的诸多应用(图4)。研究人员首先构造“软手臂”,然后对其进行激光照射,将一块质量是2 mg的立方体移动了3-4 cm,表明该“软手臂”能够对物体进行捕获和释放(图4A和4B)。此外,当一朵“机械花”在磁场中旋转时,受到光照射的“花瓣”会沿着光入射方向伸展,表现出趋光性(图4C)。文章中还展示了一种简单的“居里引擎”,研究者将齿轮形状的磁性薄膜材料置于磁铁旁边,然后用激光对其进行局部照射,圆环便像一个发动机一样不停的转动(图4D)。

【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

供稿 | 深圳市清新电源研究院

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | 沙枣树

主编 | 张哲旭


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