Advanced Functional Materials: 折纸工艺实现磁性增强和可编程磁极序列的柔性永磁薄膜

早在5000年前人类就发现了天然磁铁。古人曾认为石为铁之母,那些可以吸引铁的矿石正如慈爱的母亲,因而被称作“磁石”。千年之前的人们使用磁铁制作的司南和指南针曾陪伴郑和驾宝船南下西洋,也见证了哥伦布、达伽马、麦哲伦等航海家劈波斩浪开启大航海时代。随着材料科学的发展,人们逐渐研发出铁氧体、铝镍钴合金、钕铁硼合金等人工永磁体,并将其广泛应用于发电机、电动机、继电器等机电设备和核磁共振成像、靶向药物递送、外科手术机器人等生物医学系统。未来新型的医疗模式对这些设备和系统提出了小型化和柔性化的要求,它们需要适应生物组织复杂的表面形态,具有良好的生物兼容性,可以与人体高度融合,而柔性电子技术的蓬勃发展正在一步步将畅想变为现实。磁性器件是这些设备和系统的基本元件,柔性的磁电器件和磁性薄膜具有超薄的几何结构、良好的机械灵活性,磁驱动的软体机器人还可以适应各种复杂外部环境。然而,有利必有弊,超薄的尺寸限制了磁性薄膜的磁场强度,使其目前仅有1 mT量级大小。若要同时获得优异的柔性和较强的磁场,就必须找到一种革新的方法,从而避免被迫在两者之间权衡。

针对这些问题,天津大学黄显教授提出了基于折纸技术的柔性磁膜概念,不仅实现了磁场的增强和优良的力学性能,还具有可编程磁极序列的能力。黄显教授研究团队将钕铁硼粉末(NdFeB)与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合,通过预设的折叠和充磁方式获得不同形状和磁场分布的柔性磁膜。例如,利用折纸工艺所实现的线性Halbach阵列,最大的磁感应强度达到了72 mT,其磁场分布与基于数学模型的理论计算和仿真结果相符。该柔性磁膜具有良好的生物兼容性,可以实现细胞的操控,为长期在体研究提供了基础。它还可以用作软机器人,实现由可编程磁极序列确定的复杂运动。

本文所介绍的折纸技术及其应用仅代表柔性磁膜的一小部分潜在形式和功能。除了线性Halbach阵列之外,其它类型的折纸磁膜在能量采集、微流体驱动和传感方面也极具应用潜力。柔性折叠磁性薄膜技术可用于制备各种高性能柔性磁性阵列,最终完成常规生物医学系统的小型化和柔性化,实现靶向药物递送、健康监测、癌症诊断和治疗以及核磁共振成像的新型应用模式,为生物医学诊疗带来颠覆性的变革。

相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201904977)。