空气磁体

近年来，航空航天事业蓬勃发展，越来越多的飞行器已进入太空探索浩茫宇宙，甚至于美国国家航天局（NASA）近期已开放国际空间站欢迎普通民众进行太空探索和旅行。但是高昂的发射成本在一定程度上影响着航空航天事业的发展，在目前的技术下，发射1克物体的成本约为1克黄金的价值。气凝胶作为目前已知的最轻固体材料（最低密度仅为0.16 mg/cm3），也因此受到研究者的关注。此外，气凝胶材料还具有较好的绝热性和抗冲击能力。目前气凝胶已经应用于航空航天领域，但主要集中在绝热材料方面，如何使这些轻质的固体材料拓展到可操控单元领域正成为当前一个重要且极具价值的研究课题。气凝胶材料本身由于稳定的物理化学性质，使得其对常规外部激励源如光、电、磁、热等无法产生响应，因此其在智能控制单元方面的应用研究，长期以来进展缓慢。

为解决这一问题，研究团队结合北航航空航天特色和课题组多年在磁学与磁性材料领域的研究积累，尝试开展超轻磁体在智能控制单元方面的探索性研究，通过在气凝胶中掺杂取向的铁磁纳米颗粒获得了具有可编程能力的超轻气凝胶磁性材料——即“空气磁体”。“空气磁体”可应用于航空航天及智能器件领域，例如轻质微型卫星、飞行器的元器件等方面，空间站内设备，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，将对航空航天事业的进步产生积极影响。

研究团队首先利用匀强磁场实现了前驱物溶液中铁磁颗粒的均匀排列，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，最终，经过临界干燥获得“空气磁体”。该制备方法也可以扩展到其他气凝胶和铁磁颗粒系统中，同时其简单、大尺寸的材料制备方法有利于规模化生产。

内部颗粒的一致取向使得“空气磁体”具有良好的磁各向异性。同时由于“空气磁体”的铁磁性来源于其内部的铁磁颗粒，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。为了展示样品的轻质和铁磁性，研究团队利用一个直径为2cm的环形磁铁实现了磁悬浮。在获得磁操控能力的同时，“空气磁体”依然保持着气凝胶良好的绝热性和疏水性能，保证了在极端环境下的适用性。

“空气磁体”内部的磁畴方向是由溶液状态时施加的外部磁场决定的，因此通过设计外部磁场，可以控制“空气磁体”内部的磁畴。当施加非均匀场时，可以实现多畴样品的制备。研究团队以双畴为例，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，研究团队设计并展示了磁开关的功能。