可变色可控温的“百变魔毯”？我国智能材料研究取得新突破

在阿拉伯神话中，有一条能随主人心意改变形态和功能的“飞毯”。这个千年前的想象，如今正在中国科学技术大学的实验室里变为现实。

工程科学学院副教授李木军带领的研究团队，联合裴刚、张世武教授，成功研发出一种革命性的磁控功能表面。这项发表在Cell Press旗下《设备》（Device）期刊上的研究成果，不仅解决了困扰材料学界多年的技术难题，更为智能材料的发展开辟了全新道路。

这种被研究者形象地称为“百变磁力魔毯”的新型材料，表面由成千上万个微型磁控单元组成。每个单元都像一页可以翻转的书页，尺寸仅有几毫米。通过巧妙的磁性设计，这些“书页”可以在瞬间改变自己的朝向，从而改变整个表面的物理和化学性质——无论是颜色、润湿性、反射率，甚至三维形状，都能按需调整。

材料的“两难选择”：魔毯如何做到“百变”又“稳定”？

可编程功能表面并非新概念。过去十年间，科学家们一直在探索如何让材料表面能够动态调整其性质。这类材料在军事伪装、建筑节能、生物医疗等领域有着巨大的应用潜力。

然而，一个根本性的技术矛盾始终困扰着研究者：如何在快速响应和稳定保持之间找到平衡？

传统场响应材料：比如磁性液体或电活性聚合物，虽然能够在毫秒级别内改变状态，但一旦撤去外部刺激，它们就会立即恢复原状。这意味着必须持续供应能量才能维持所需的表面状态，既耗能又不实用。

形状记忆材料或功能涂层技术：这类材料确实能够“记住”编程后的状态，但改变过程极其缓慢——形状记忆聚合物需要经历加热、变形、冷却的完整周期，整个过程往往需要数分钟甚至数小时。

李木军团队的创新之处在于引入了“三极锁定”机制。每个表面单元由三个磁性部件组成：一个可翻转的磁性“片”和两个固定的磁性“条”。这三个部件之间形成了稳定的磁力平衡，就像三角形是最稳定的几何结构一样。

在静止状态下，磁性片会被锁定在两个稳定位置之一——要么完全向上（状态1），要么完全向下（状态0），无需任何外部能量就能保持。

要改变单元状态，研究团队开发了一种脉冲磁针。这个装置能够产生瞬时的强磁场（超过90 毫特斯拉），足以克服三极锁定的能量壁垒。关键在于，这个磁场只持续极短的时间——不到100毫秒。一旦磁针移开，单元立即被锁定在新的状态。整个过程就像用磁性“画笔”在表面上作画，所到之处，单元翻转，功能改变。

双稳态磁驱动像素阵列

（图片来源：参考文献[1]）

毫米级“微操”：魔毯如何实现精准控制？

实现这一创新并非易事。研究团队进行了大量的理论计算和实验优化。他们发现，磁性条的高度是决定系统性能的关键参数。如果条太矮，锁定力不足，单元容易在外界干扰下意外翻转；如果条太高，则需要极强的磁场才能改变状态，增加了编程难度。

通过建立数学模型，团队计算出当磁性条的高度约为单元宽度的20%时，系统能达到最优平衡。在这个配置下，单元既能稳定保持状态（能承受2毫米的弯曲变形和20%的拉伸而不改变），又能被脉冲磁针轻松编程。

材料选择同样重要。磁性片采用钕铁硼永磁材料，这种材料具有高剩磁和矫顽力，确保磁性稳定。表面涂层则根据功能需求定制：用于颜色变换的采用高对比度颜料，用于润湿性调控的采用超疏水或超亲水涂层，用于热管理的采用不同反射率的材料。所有这些组件都被精密地集成在一个仅有几毫米厚的柔性基底上。

可快速重编程和稳定自维持的磁控功能表面

（图片来源：参考文献[1]）

不止变色！魔毯还能控水、控温、变形状？

研究团队通过一系列精心设计的实验，充分展示了这种表面多样化的功能。

在颜色调控实验中，他们在10×10的单元阵列上编程出了“USTC”（中国科学技术大学英文缩写）字样。整个编程过程仅需几秒钟，显示的图案可以稳定保持数周，且不需要任何能量输入。更有趣的是，通过连续编程，表面可以像显示屏一样播放简单的动画。

润湿性调控展现了更大的应用潜力。研究人员在同一表面上创建了亲水和疏水的棋盘格图案。当水滴落在表面时，它会自动沿着亲水路径流动，避开疏水区域。通过动态编程路径，他们成功实现了液滴的定向输运——水滴就像被无形的轨道引导一样，准确地从起点移动到终点。接触角测量显示，疏水区域的接触角达到152度，而亲水区域仅为95度。这种巨大的差异为精密流体控制提供了可能。

热管理实验揭示了另一个重要应用。在相同的红外辐射下，高反射率表面的温度比低反射率表面低10-15度。通过编程不同区域的反射率，研究团队在同一表面上创建了复杂的温度分布图案。红外相机清晰地显示出编程的图案——亮区温度低，暗区温度高，边界清晰分明。这种选择性的温度调控能力，为建筑外墙的智能温控和电子设备的热管理提供了新思路。

最令人惊叹的是形状变形功能。通过改变单元的磁化方向，同一表面在外加磁场下可以呈现出完全不同的三维形态。研究团队展示了四种基本变形模式：山峰状、山谷状、马鞍状和扭曲状。更复杂的是，这些变形可以与其他功能同时编程——例如，一个表面可以在变成山峰状的同时，峰顶呈现红色而山谷呈现蓝色。

严苛考验：魔毯如何经受住“千锤百炼”？

任何实用技术都必须经受稳定性和耐久性的考验。研究团队对此进行了系统的测试。

在机械稳定性测试中，编程后的表面经历了1000次弯曲循环（弯曲半径2毫米）和500次拉伸循环（拉伸率20%），单元状态保持率超过99.5%。即使在剧烈振动（频率20赫兹，振幅5毫米）下持续1小时，状态改变率也低于0.1%。

环境适应性测试同样令人满意。表面在-20℃到80℃的温度范围内正常工作，在85%相对湿度环境中放置30天后性能无明显衰减。紫外线照射实验（相当于户外暴露1年）后，表面功能依然完好。

疲劳测试更是证明了系统的可靠性。单个单元经过10万次状态切换后，响应时间仅从初始的80毫秒增加到85毫秒，锁定力衰减不到5%。这意味着即使每天切换100次，系统也能稳定工作近3年。

表面颜色、润湿性、反射率以及变形的像素级调控

（图片来源：参考文献[1]）

智能材料的未来：魔毯将如何融入我们的生活？

这项技术的应用前景极其广阔。研究团队已经在与多个领域的合作伙伴探讨具体应用。

在军事领域，自适应伪装系统可以根据环境实时改变表面的颜色、纹理甚至红外特征。想象一下，一辆装甲车可以在森林中呈现绿色迷彩，在沙漠中切换为土黄色，在雪地中变为白色——所有这些变化都可以在秒级完成，极大地提升了军事行动的隐蔽性。

建筑节能是另一个重要应用方向。智能建筑外墙可以根据季节和天气自动调节表面性质：夏天增加反射率减少吸热，冬天降低反射率增加吸热；晴天创建遮阳图案，阴天恢复透光。初步计算显示，这种智能外墙可以降低建筑能耗15-20%。

在生物医学领域，可编程微流控芯片能够动态调整流道布局，实现复杂的生化反应控制。例如，在药物筛选中，可以通过编程不同的流道组合，同时进行多种药物浓度和组合的测试，大大提高筛选效率。

软体机器人是最具想象力的应用之一。通过编程不同区域的变形模式，一个平面可以变成复杂的三维结构，实现爬行、游泳甚至飞行等多种运动模式。结合传感器和控制系统，这种表面可以成为真正的“智能皮肤”，让机器人拥有前所未有的适应性和灵活性。

魔毯的“蝴蝶效应”：智能材料如何改变我们的世界？

中国科学技术大学的这项研究不仅是技术上的突破，更代表着智能材料发展的新范式。它证明了通过巧妙的结构设计，可以在不增加系统复杂性的前提下，实现看似矛盾的性能要求。

研究团队正在推进技术的产业化进程。目前的原型系统单元尺寸为毫米级，下一步计划缩小到百微米级别，实现更高的分辨率。同时，他们正在开发自动化的编程系统，让用户能够通过简单的软件界面设计和实现复杂的表面功能。

这项由科技部国家重点研发计划、安徽省自然科学基金、中国科学技术大学“双一流”计划等项目支持的研究，充分展现了中国在前沿材料科学领域的创新能力。论文第一作者吴纪旸表示：“我们的目标是让功能表面像今天的触摸屏一样普及，成为人机交互的新界面。”

当材料不再是被动的存在，而成为可以主动响应和适应的智能系统时，我们与物理世界的关系将发生根本改变。这张“百变磁力魔毯”的诞生，或许正是这个变革的开始，预示着一个由中国智造引领的智能材料新时代的到来。

参考文献：

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

出品：科普中国

作者：李瑞（半导体工程师）

监制：中国科普博览