会 “隐身”、能控温、可变形！中科大 “磁力魔毯” 解锁智能材料新玩法 -山东化工网

会 “隐身”、能控温、可变形！中科大 “磁力魔毯” 解锁智能材料新玩法

文章来源：贤集网更新时间：2025-09-29 15:20:47

在阿拉伯神话里，那条能随主人心意变换形态、承载梦想的 “飞毯”，曾是人类对材料 “智能响应” 的最初遐想。如今，这一跨越千年的想象，在合肥的实验室中照进现实 —— 中国科学技术大学（USTC）李木军副教授团队联合裴刚教授、张世武教授，成功研发出一种被称作 “百变磁力魔毯” 的磁控智能功能表面。这项发表于细胞出版社旗下仪器设备领域旗舰期刊《Device》的成果，不仅打破了传统可编程材料的性能瓶颈，更以其独特的设计，为智能材料的应用开辟了全新赛道。

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传统困境：可编程表面的 “速度与稳定” 难题

在智能材料领域，“可编程功能表面” 始终是科研界的重点探索方向。这类材料能根据需求灵活调整自身的光学特性（如颜色、反射率）、润湿性（如疏水或亲水）甚至黏附性，因此在自适应伪装、建筑节能、生物医疗等领域有着不可替代的潜力 —— 比如军事装备可通过改变表面颜色融入环境，建筑外墙能随季节调整吸热效率，医疗芯片可精准控制液体流动。

但长期以来，一个核心矛盾制约着这类材料的实用化：快速响应与稳定维持难以兼顾。现有技术往往陷入 “二选一” 的困境：一方面，场响应材料（如磁性液体、电活性聚合物）虽能实现毫秒级的状态切换，却像 “没有记忆的木偶”—— 一旦撤去外部能量（如磁场、电场），表面状态会立即恢复原状，必须持续耗能才能维持所需功能，既不经济也不便于实际应用；

另一方面，形状记忆材料或功能涂层技术虽能 “记住” 编程后的状态，却又陷入 “慢动作” 困境 —— 以形状记忆聚合物为例，改变状态需要经历 “加热 - 变形 - 冷却” 的完整周期，整个过程往往耗时数分钟甚至数小时，无法满足需要快速调整的场景。

如何让材料既能 “快速变”，又能 “稳定存”？这一难题，成为李木军团队研发的核心突破口。

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核心突破：三极锁定与脉冲编程的双重创新

“百变磁力魔毯” 的奥秘，藏在其微观结构与控制方式的双重创新中。这种智能表面并非单一材料，而是由成千上万个毫米级的 “磁控单元” 阵列组成 —— 每个单元都像一页可灵活翻转的 “微型书页”，通过精准调控这些 “书页” 的状态，就能实现表面功能的整体变化。

三极锁定：让状态 “不耗能也能稳”

团队为每个磁控单元设计了独特的 “三极锁定机制”：单元由一个可翻转的磁性 “片” 和两个固定的磁性 “条” 组成，三者形成稳定的磁力平衡，类似三角形的几何稳定性。在无外部干预时，磁性 “片” 只会停留在两个固定状态之一 —— 要么完全向上（定义为 “状态 1”），要么完全向下（定义为 “状态 0”），无需任何外部能量输入，就能长期保持状态稳定。

这种设计从根本上解决了 “稳定维持” 的难题：就像门闩扣紧后无需持续用力，磁性单元的状态一旦锁定，即便经历轻微振动或温度波动，也不会轻易改变。团队通过实验验证，当磁性条的高度控制在单元宽度的 20% 时，系统能达到最优平衡 —— 既具备足够的锁定力（可承受 2 毫米弯曲变形、20% 拉伸而不失效），又不会因锁定力过强影响后续调整。

脉冲磁针：让编程 “精准又快速”

要改变单元状态，团队研发了配套的 “脉冲磁针” 技术。与传统持续供能的磁场不同，这种磁针能产生瞬时强磁场（强度超过 90 毫特斯拉），且磁场持续时间极短 —— 不足 100 毫秒。就像用 “磁性画笔” 在表面 “作画”：移动磁针时，瞬时磁场会短暂突破三极锁定的能量壁垒，推动磁性 “片” 翻转；一旦磁针移开，单元会立即被锁定在新状态，整个过程无需持续耗能。

这种 “脉冲编程” 方式不仅高效，还具备极高的灵活性：既可以对单个单元进行局部调整，也能对整片阵列进行批量编程，编程速度达到 “秒级”—— 比如在 10×10 的单元阵列上呈现 “USTC” 字样，整个过程仅需几秒钟，且图案能稳定保持数周。

此外，材料选择的细节也为功能落地提供了支撑：磁性 “片” 采用高剩磁、高矫顽力的钕铁硼永磁材料，确保磁性稳定；表面涂层则根据功能需求定制 —— 实现颜色变化时用高对比度颜料，调控润湿性时用超疏水 / 超亲水涂层，管理温度时用不同反射率的材料；所有组件都集成在几毫米厚的柔性基底上，兼顾了灵活性与耐用性。

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功能实测：从颜色变幻到形状重构的多维调控

实验室中的 “百变磁力魔毯”，早已不是单一功能的 “噱头”，而是能实现多维度调控的实用化原型。团队通过一系列实验，充分验证了其在颜色、润湿性、温度、形状四大维度的调控能力，每一项功能都直指具体应用场景。

颜色调控：从信息存储到动态伪装

通过编程不同单元的颜色状态，“魔毯” 能像显示屏一样呈现字符、图案，甚至播放简单动画。实验中，研究人员在单元阵列上快速编程出 “USTC” 的英文缩写，图案边界清晰，且无需任何能量就能稳定保持 —— 这意味着它可用于长效信息存储，比如在工业设备表面显示参数、在公共空间实现可更换的标识。

更具价值的是动态伪装能力：通过连续调整单元颜色，表面能快速匹配周围环境的色调 —— 从森林的绿色到沙漠的土黄色，再到雪地的白色，切换过程仅需数秒。这一特性若应用于军事装备，能极大提升其隐蔽性，让坦克、装甲车在不同地形中 “隐身”。

润湿性调控：让液滴 “按路线行走”

润湿性是材料表面与液体相互作用的关键特性，“魔毯” 通过编程可在同一表面同时实现 “超疏水” 与 “超亲水” 区域的精准划分。实验中，团队在表面编程出亲水与疏水相间的 “棋盘格” 图案：当水滴落在表面时，会自动避开疏水区域（接触角达 152 度），沿着亲水区域（接触角仅 95 度）流动；通过动态调整亲水路径，还能实现液滴的 “定向输运”—— 就像为水滴铺设了无形轨道，让其从起点精准抵达终点。

这种能力在生物医疗领域极具潜力：比如在微流控芯片中，无需复杂的机械阀门，仅通过调整表面润湿性，就能控制试剂的流动与混合，大幅简化芯片结构，提升药物筛选、病理检测的效率。

温度调控：打造 “按需控温” 的表面

“魔毯” 的控温能力源于对反射率的精准调控 —— 高反射率表面能反射更多红外辐射，温度更低；低反射率表面则吸收更多辐射，温度更高。实验显示，在相同红外辐射条件下，两种表面的温差可达 10-15 度。通过编程不同区域的反射率，团队在表面创建出复杂的温度分布图案：红外相机下，亮区（高反射）温度低，暗区（低反射）温度高，边界清晰可辨。

这一功能若应用于建筑外墙，将成为 “节能神器”：夏天时，外墙编程为高反射率，减少吸热，降低空调能耗；冬天时切换为低反射率，增加吸热，减少供暖需求。初步计算显示，这种智能外墙可降低建筑总能耗 15%-20%；若应用于电子设备表面，还能针对性地为发热元件降温，避免设备因局部过热损坏。

形状变形：从平面到三维的 “动态重构”

最令人惊叹的是 “魔毯” 的形状变形能力 —— 通过改变单元的磁化方向，同一表面在外加磁场驱动下，可呈现出四种基本三维形态：山峰状、山谷状、马鞍状、扭曲状。更创新的是，形状变形可与其他功能 “同步实现”：比如让表面在变成 “山峰” 的同时，峰顶呈现红色、山谷呈现蓝色，实现 “形状 + 颜色” 的双重调控。

这种特性为软体机器人研发提供了新思路：未来的软体机器人可采用这种智能表面作为 “皮肤”，通过编程不同区域的变形模式，实现爬行、游泳甚至飞行等多种运动；无需复杂的内部机械结构，仅通过表面变形就能完成抓取、搬运等动作，让机器人更灵活、更适应复杂环境。

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严苛考验：经得住 “千锤百炼” 的实用化基础

任何科研成果要走向应用，都必须经受稳定性与耐久性的 “考验”。李木军团队针对 “百变磁力魔毯” 开展了一系列严苛测试，结果证明其具备极强的环境适应性与使用寿命。

在机械稳定性测试中，编程后的表面经历了 1000 次弯曲循环（弯曲半径仅 2 毫米）、500 次拉伸循环（拉伸率 20%），单元状态保持率超过 99.5%；即便在频率 20 赫兹、振幅 5 毫米的剧烈振动下持续 1 小时，状态改变率也低于 0.1%—— 这意味着它能适应汽车、机器人等需要频繁运动的场景。

在环境适应性测试中，表面在 - 20℃至 80℃的温度范围内能正常工作，覆盖了从北方寒冬到南方酷暑的大部分自然环境；在 85% 相对湿度的高湿环境中放置 30 天，性能无明显衰减；经过相当于户外暴露 1 年的紫外线照射后，表面颜色、润湿性等功能依然完好 —— 满足建筑外墙、户外设备等长期暴露场景的需求。

疲劳测试则进一步验证了其使用寿命：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，锁定力衰减不足 5%。按每天切换 100 次计算，系统可稳定工作近 3 年，完全能满足工业、医疗等领域的长期使用需求。

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未来图景：渗透多领域的智能材料革命

“百变磁力魔毯” 的意义，不仅在于一项技术的突破，更在于为智能材料发展提供了新范式 —— 它证明，通过巧妙的结构设计而非复杂的材料合成，就能解决看似矛盾的性能需求（快速响应与稳定维持），为后续研究提供了借鉴。

目前，团队已启动产业化推进工作：一方面计划将单元尺寸从毫米级缩小到百微米级，实现更高的调控分辨率，比如用于高清动态伪装或微型设备；另一方面开发自动化编程系统，未来用户可通过软件界面直接设计表面功能，无需手动操作脉冲磁针，大幅降低使用门槛。

从应用场景来看，这项技术正逐步渗透到多个领域：

军事领域：自适应伪装系统可实时调整装备的颜色、红外特征，让武器装备在复杂地形中 “隐身”；

建筑领域：智能外墙、屋顶可动态调控吸热与散热，助力 “零碳建筑” 发展；

生物医疗领域：可编程微流控芯片可加速药物筛选、病原体检测，推动精准医疗；

软体机器人领域：“智能皮肤” 让机器人具备环境适应能力，可应用于救灾、深海探测等极端场景。

这项研究得到了科技部国家重点研发计划、安徽省自然科学基金、中科大 “双一流” 计划等项目的支持，其成果也被团队成员、论文第一作者吴纪旸视为 “智能材料普及的起点”：“我们希望未来的功能表面能像今天的触摸屏一样常见，成为人机交互、环境交互的新载体。”

当材料不再是被动的 “静态存在”，而是能主动响应、适应环境的 “智能系统”，人类与物理世界的互动方式将被重新定义。中科大 “百变磁力魔毯” 的诞生，不仅让神话中的 “飞毯” 走进现实，更预示着一个由中国智造引领的智能材料新时代，正加速到来。

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