近日,來(lái)自北京航空航天大學(xué)的謝勇、陳子瑜和科羅拉多大學(xué)博爾德分校的Ivan Smalyukh合作領(lǐng)導(dǎo)的研究小組制備了可編程超輕磁性氣凝膠,有望用于航空航天飛行器及智能器件領(lǐng)域,從而減輕設(shè)備質(zhì)量,降低運(yùn)行成本,同時(shí)實(shí)現(xiàn)人和設(shè)備的遠(yuǎn)程、非接觸互動(dòng)。

月宮上是否真的住著孤獨(dú)的嫦娥?云層之上是否真的有金碧輝煌的天宮?浩瀚的宇宙中是否真的有絕地武士?我們都曾夢(mèng)想著可以遨游宇宙,親自去尋找答案。近年來(lái),高速發(fā)展的航空航天飛行器使我們離夢(mèng)想越來(lái)越近,太空旅行計(jì)劃已經(jīng)啟動(dòng),但是,高昂的發(fā)射成本卻讓大多數(shù)人望而卻步。在現(xiàn)有的技術(shù)下,發(fā)射1克物體的成本約等價(jià)為1克黃金。

制備流程

將鐵磁納米顆粒均勻地分散于氣凝膠前驅(qū)物溶液中,然后施加均勻的磁場(chǎng)使鐵磁顆粒擁有一致的磁化取向,等待溶液逐漸固化后,鐵磁顆粒將緊束縛在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,從而保持一致的磁化方向,最后通過(guò)臨界干燥,獲得密度僅為0.12 kg m-3的超輕磁性氣凝膠-即“空氣磁體”(aero-magnet)。

超輕磁性氣凝膠的制備流程。
超輕磁性氣凝膠的制備流程。

多樣的可編程性

由于內(nèi)部鐵磁納米顆粒(單分散的鈷納米棒以及鋇鐵氧體納米盤(pán))一致的磁化取向,磁性氣凝膠具有較高的磁各向異性。樣品的可編程性體現(xiàn)在:一方面,樣品的磁化強(qiáng)度大小可以通過(guò)控制鐵磁顆粒的摻雜濃度來(lái)進(jìn)行線性調(diào)節(jié)。另一方面,可以通過(guò)設(shè)計(jì)施加外場(chǎng)的陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)“空氣磁體”中磁疇的有序、可控取向。據(jù)此,研究者已經(jīng)制備了單疇和雙疇的“空氣磁體”,研究了其磁性質(zhì),展示了相關(guān)的磁響應(yīng)。對(duì)于單疇“空氣磁體”,研究者以環(huán)形磁鐵為底座,實(shí)現(xiàn)了單疇磁性氣凝膠的磁懸浮展示。對(duì)于雙疇“空氣磁體”,研究者將之制作成簡(jiǎn)單的磁開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)了電路通斷的控制。除了以上超輕材質(zhì)和可編程磁疇的性質(zhì),發(fā)展的“空氣磁體”還具有良好的疏水性和絕熱性,可以適用于真空、低溫的太空環(huán)境,以及潛在的節(jié)能材料領(lǐng)域。

單疇氣凝膠中鈷納米棒的一致取向測(cè)量(a, b),磁各向異性測(cè)量(c)以及磁化強(qiáng)度的調(diào)控(d? f),和磁懸浮(g),疏水(h)及絕熱性能(i)的展示。
單疇氣凝膠中鈷納米棒的一致取向測(cè)量(a, b),磁各向異性測(cè)量(c)以及磁化強(qiáng)度的調(diào)控(d? f),和磁懸浮(g),疏水(h)及絕熱性能(i)的展示。

 

雙疇氣凝膠的設(shè)計(jì)示意圖(a-c),在相反磁場(chǎng)下的磁響應(yīng)(d, e),以及相鄰處形成的疇壁(f),磁化曲線測(cè)量(g)和磁各向異性測(cè)量(h),最后,通過(guò)磁開(kāi)關(guān)展示了其潛在應(yīng)用(i, j)。
雙疇氣凝膠的設(shè)計(jì)示意圖(a-c),在相反磁場(chǎng)下的磁響應(yīng)(d, e),以及相鄰處形成的疇壁(f),磁化曲線測(cè)量(g)和磁各向異性測(cè)量(h),最后,通過(guò)磁開(kāi)關(guān)展示了其潛在應(yīng)用(i, j)。

此外,研究者們還探索了在磁場(chǎng)下“空氣磁體”的穩(wěn)定性、力學(xué)性能以及內(nèi)部鐵磁納米顆粒和氣凝膠網(wǎng)絡(luò)的相互作用,研究結(jié)果證明所得“空氣磁體”在強(qiáng)磁場(chǎng)下具有良好的穩(wěn)定性,并估算了楊氏模量等力學(xué)參數(shù),分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

超輕磁性氣凝膠在磁場(chǎng)下的穩(wěn)定性以及鐵磁納米顆粒與氣凝膠網(wǎng)絡(luò)相互作用的分析,以及力學(xué)性能的測(cè)試。
超輕磁性氣凝膠在磁場(chǎng)下的穩(wěn)定性以及鐵磁納米顆粒與氣凝膠網(wǎng)絡(luò)相互作用的分析,以及力學(xué)性能的測(cè)試。

應(yīng)用前景

可編程超輕的“空氣磁體”可應(yīng)用于航空航天及智能器件領(lǐng)域,例如輕質(zhì)微型衛(wèi)星、航天飛機(jī)元器件等方面,以及空間站內(nèi)宇航員和設(shè)備,以及宇航員之間相對(duì)進(jìn)程的非接觸控制單元,已實(shí)現(xiàn)的“空氣磁體”將會(huì)減少航天航空設(shè)備的發(fā)射成本,不斷推動(dòng)航空航天事業(yè)向前發(fā)展。

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