可變色可控溫的“百變魔毯”？我國智能材料研究取得新突破

在阿拉伯神話中，有一條能隨主人心意改變形態和功能的“飛毯”。這個千年前的想象，如今正在中國科學技術大學的實驗室里變為現實。

工程科學學院副教授李木軍帶領的研究團隊，聯合裴剛、張世武教授，成功研發出一種革命性的磁控功能表面。這項發表在Cell Press旗下《設備》（Device）期刊上的研究成果，不僅解決了困擾材料學界多年的技術難題，更為智能材料的發展開辟了全新道路。

這種被研究者形象地稱為“百變磁力魔毯”的新型材料，表面由成千上萬個微型磁控單元組成。每個單元都像一頁可以翻轉的書頁，尺寸僅有幾毫米。通過巧妙的磁性設計，這些“書頁”可以在瞬間改變自己的朝向，從而改變整個表面的物理和化學性質——無論是顏色、潤濕性、反射率，甚至三維形狀，都能按需調整。

材料的“兩難選擇”：魔毯如何做到“百變”又“穩定”？

可編程功能表面并非新概念。過去十年間，科學家們一直在探索如何讓材料表面能夠動態調整其性質。這類材料在軍事偽裝、建筑節能、生物醫療等領域有著巨大的應用潛力。

然而，一個根本性的技術矛盾始終困擾著研究者：如何在快速響應和穩定保持之間找到平衡？

傳統場響應材料：比如磁性液體或電活性聚合物，雖然能夠在毫秒級別內改變狀態，但一旦撤去外部刺激，它們就會立即恢復原狀。這意味著必須持續供應能量才能維持所需的表面狀態，既耗能又不實用。

形狀記憶材料或功能涂層技術：這類材料確實能夠“記住”編程后的狀態，但改變過程極其緩慢——形狀記憶聚合物需要經歷加熱、變形、冷卻的完整周期，整個過程往往需要數分鐘甚至數小時。

李木軍團隊的創新之處在于引入了“三極鎖定”機制。每個表面單元由三個磁性部件組成：一個可翻轉的磁性“片”和兩個固定的磁性“條”。這三個部件之間形成了穩定的磁力平衡，就像三角形是最穩定的幾何結構一樣。

在靜止狀態下，磁性片會被鎖定在兩個穩定位置之一——要么完全向上（狀態1），要么完全向下（狀態0），無需任何外部能量就能保持。

要改變單元狀態，研究團隊開發了一種脈沖磁針。這個裝置能夠產生瞬時的強磁場（超過90 毫特斯拉），足以克服三極鎖定的能量壁壘。關鍵在于，這個磁場只持續極短的時間——不到100毫秒。一旦磁針移開，單元立即被鎖定在新的狀態。整個過程就像用磁性“畫筆”在表面上作畫，所到之處，單元翻轉，功能改變。

雙穩態磁驅動像素陣列

（圖片來源：參考文獻[1]）

毫米級“微操”：魔毯如何實現精準控制？

實現這一創新并非易事。研究團隊進行了大量的理論計算和實驗優化。他們發現，磁性條的高度是決定系統性能的關鍵參數。如果條太矮，鎖定力不足，單元容易在外界干擾下意外翻轉；如果條太高，則需要極強的磁場才能改變狀態，增加了編程難度。

通過建立數學模型，團隊計算出當磁性條的高度約為單元寬度的20%時，系統能達到最優平衡。在這個配置下，單元既能穩定保持狀態（能承受2毫米的彎曲變形和20%的拉伸而不改變），又能被脈沖磁針輕松編程。

材料選擇同樣重要。磁性片采用釹鐵硼永磁材料，這種材料具有高剩磁和矯頑力，確保磁性穩定。表面涂層則根據功能需求定制：用于顏色變換的采用高對比度顏料，用于潤濕性調控的采用超疏水或超親水涂層，用于熱管理的采用不同反射率的材料。所有這些組件都被精密地集成在一個僅有幾毫米厚的柔性基底上。

可快速重編程和穩定自維持的磁控功能表面

（圖片來源：參考文獻[1]）

不止變色！魔毯還能控水、控溫、變形狀？

研究團隊通過一系列精心設計的實驗，充分展示了這種表面多樣化的功能。

在顏色調控實驗中，他們在10×10的單元陣列上編程出了“USTC”（中國科學技術大學英文縮寫）字樣。整個編程過程僅需幾秒鐘，顯示的圖案可以穩定保持數周，且不需要任何能量輸入。更有趣的是，通過連續編程，表面可以像顯示屏一樣播放簡單的動畫。

潤濕性調控展現了更大的應用潛力。研究人員在同一表面上創建了親水和疏水的棋盤格圖案。當水滴落在表面時，它會自動沿著親水路徑流動，避開疏水區域。通過動態編程路徑，他們成功實現了液滴的定向輸運——水滴就像被無形的軌道引導一樣，準確地從起點移動到終點。接觸角測量顯示，疏水區域的接觸角達到152度，而親水區域僅為95度。這種巨大的差異為精密流體控制提供了可能。

熱管理實驗揭示了另一個重要應用。在相同的紅外輻射下，高反射率表面的溫度比低反射率表面低10-15度。通過編程不同區域的反射率，研究團隊在同一表面上創建了復雜的溫度分布圖案。紅外相機清晰地顯示出編程的圖案——亮區溫度低，暗區溫度高，邊界清晰分明。這種選擇性的溫度調控能力，為建筑外墻的智能溫控和電子設備的熱管理提供了新思路。

最令人驚嘆的是形狀變形功能。通過改變單元的磁化方向，同一表面在外加磁場下可以呈現出完全不同的三維形態。研究團隊展示了四種基本變形模式：山峰狀、山谷狀、馬鞍狀和扭曲狀。更復雜的是，這些變形可以與其他功能同時編程——例如，一個表面可以在變成山峰狀的同時，峰頂呈現紅色而山谷呈現藍色。

嚴苛考驗：魔毯如何經受住“千錘百煉”？

任何實用技術都必須經受穩定性和耐久性的考驗。研究團隊對此進行了系統的測試。

在機械穩定性測試中，編程后的表面經歷了1000次彎曲循環（彎曲半徑2毫米）和500次拉伸循環（拉伸率20%），單元狀態保持率超過99.5%。即使在劇烈振動（頻率20赫茲，振幅5毫米）下持續1小時，狀態改變率也低于0.1%。

環境適應性測試同樣令人滿意。表面在-20℃到80℃的溫度范圍內正常工作，在85%相對濕度環境中放置30天后性能無明顯衰減。紫外線照射實驗（相當于戶外暴露1年）后，表面功能依然完好。

疲勞測試更是證明了系統的可靠性。單個單元經過10萬次狀態切換后，響應時間僅從初始的80毫秒增加到85毫秒，鎖定力衰減不到5%。這意味著即使每天切換100次，系統也能穩定工作近3年。

表面顏色、潤濕性、反射率以及變形的像素級調控

（圖片來源：參考文獻[1]）

智能材料的未來：魔毯將如何融入我們的生活？

這項技術的應用前景極其廣闊。研究團隊已經在與多個領域的合作伙伴探討具體應用。

在軍事領域，自適應偽裝系統可以根據環境實時改變表面的顏色、紋理甚至紅外特征。想象一下，一輛裝甲車可以在森林中呈現綠色迷彩，在沙漠中切換為土黃色，在雪地中變為白色——所有這些變化都可以在秒級完成，極大地提升了軍事行動的隱蔽性。

建筑節能是另一個重要應用方向。智能建筑外墻可以根據季節和天氣自動調節表面性質：夏天增加反射率減少吸熱，冬天降低反射率增加吸熱；晴天創建遮陽圖案，陰天恢復透光。初步計算顯示，這種智能外墻可以降低建筑能耗15-20%。

在生物醫學領域，可編程微流控芯片能夠動態調整流道布局，實現復雜的生化反應控制。例如，在藥物篩選中，可以通過編程不同的流道組合，同時進行多種藥物濃度和組合的測試，大大提高篩選效率。

軟體機器人是最具想象力的應用之一。通過編程不同區域的變形模式，一個平面可以變成復雜的三維結構，實現爬行、游泳甚至飛行等多種運動模式。結合傳感器和控制系統，這種表面可以成為真正的“智能皮膚”，讓機器人擁有前所未有的適應性和靈活性。

魔毯的“蝴蝶效應”：智能材料如何改變我們的世界？

中國科學技術大學的這項研究不僅是技術上的突破，更代表著智能材料發展的新范式。它證明了通過巧妙的結構設計，可以在不增加系統復雜性的前提下，實現看似矛盾的性能要求。

研究團隊正在推進技術的產業化進程。目前的原型系統單元尺寸為毫米級，下一步計劃縮小到百微米級別，實現更高的分辨率。同時，他們正在開發自動化的編程系統，讓用戶能夠通過簡單的軟件界面設計和實現復雜的表面功能。

這項由科技部國家重點研發計劃、安徽省自然科學基金、中國科學技術大學“雙一流”計劃等項目支持的研究，充分展現了中國在前沿材料科學領域的創新能力。論文第一作者吳紀旸表示：“我們的目標是讓功能表面像今天的觸摸屏一樣普及，成為人機交互的新界面。”

當材料不再是被動的存在，而成為可以主動響應和適應的智能系統時，我們與物理世界的關系將發生根本改變。這張“百變磁力魔毯”的誕生，或許正是這個變革的開始，預示著一個由中國智造引領的智能材料新時代的到來。

參考文獻：

[1]Reprogrammable and bistable magnetically driven pixel array with customizable surface properties

出品：科普中國

作者：李瑞（半導體工程師）

監制：中國科普博覽