【摘要】 北京航空航天大学团队在《Science》发表柔性磁电材料突破性研究，通过界面共晶策略制备聚合物-无机复合薄膜，磁容系数达23.6%，响应速度1 ms⁻¹。科学指南针为研究提供分子动力学模拟等计算支持，助力机理解析与应用验证。

北京航空航天大学化学学院刘明杰教授、李景教授团队与材料科学与工程学院赵立东教授团队在柔性磁电材料领域取得重要突破，研究成果于2025年8月8日以Research Article形式发表于《Science》。该研究通过界面共晶策略成功制备高性能聚合物-无机纳米复合薄膜，为柔性磁电材料设计开辟新路径。科学指南针为研究提供部分计算支持，助力机理深度解析。

 

研究背景与磁电材料挑战

随着电子设备向柔性化、可穿戴化与智能化发展，兼具磁性与电性耦合特性的磁电材料成为研究焦点。磁电材料凭借"磁-电"双向转换优势，在信息存储、能量收集等领域展现巨大应用价值。

​当前面临的关键挑战：​​

  • 单相磁电材料受电子轨道填充互斥效应限制，磁电耦合系数普遍较低

  • 现有材料多为刚性无机体系，难以满足柔性可穿戴需求

  • 铁电高分子基质面临聚合物链段运动引发内摩擦、能量耗散严重等问题

 

创新方法：界面共晶策略实现突破

研究团队创新性提出铁磁无机单层与铁电高分子的界面共晶策略，成功制备高性能柔性磁电纳米复合材料。

​技术核心突破：​​

  • 对铁磁性VSe₂单层表面进行重氮化修饰，构建亚分子级平整界面结构

  • VSe₂-COOH表面致密官能团通过氢键作用为极性β相PVDF提供成核位点

  • 采用纳米限域去浸润法制备薄膜，实现高结晶度与高效能量传递

图1 高性能磁电薄膜的制备。（A）典型聚合物基铁性材料的性能雷达图对比。（B）传统颗粒基磁电复合材料与层状磁电复合材料的结构示意图。（C）VSe2、重氮化修饰VSe2以及诱导PVDF的β相成核示意图。（D）磁电薄膜的制备过程与机理示意图。

 

机理分析与计算验证

通过理论分析、模拟与定量实验系统阐明磁电耦合机理。

​界面共晶机制：​​

  • PVDF链在VSe₂-COOH表面结晶呈现β相诱导现象

  • 180°反式扭转构象占主导地位，氢键引导链排列向全反式构象

  • 界面共晶结构促进应变从铁磁纳米片向铁电相的高效定向传递

图2 PVDF在VSe2或VSe₂-COOH表面极化的分子动力学（MD）模拟。(A) PVDF聚合物链在VSe₂-COOH表面原位β相结晶的示意图。(B) 最终模拟快照，展示了PVDF链在VSe₂或VSe₂-COOH表面的极化行为。(C) PVDF链中接近180°（反式构象）的二面角分布（10纳秒模拟周期内平均值）。(D) PVDF链中β相随模拟时间的演变。

 

磁电耦合性能：​​

  • 响应速度达1 ms⁻¹，较传统力传感器快10倍

  • 磁容系数显著优于传统磁电材料

  • 有序界面有效降低能量耗散，实现强磁电耦合

图3纳米复合薄膜的磁电耦合机理以及性能对比图。（A）低结晶度和（B）高结晶度下磁电耦合过程的机理示意图。（C）磁电传感器的响应速度对比图。（D）磁电复合薄膜的磁容系数对比图。

 

应用验证与性能表现

基于该薄膜优异特性制备的可穿戴磁电传感器展现出色应用潜力。

​实际性能表现：​​

  • 具备柔性可穿戴特性，实现环境磁场实时监测

  • 与热电冷却模块集成后，测量标准偏差由0.05降至0.02

  • 宽温域测试显示磁容系数在全温度范围内保持高度稳定

图4磁电传感器的多功能应用。（A）可穿戴磁容传感器的结构示意图及其（B）对生活中多种磁场的检测结果。（C）在外加磁场下集成或不集成热电冷却器的电容值。（D）不同温度下的磁容系数，插图显示了热电冷却器的均匀温度分布情况。

 

总结与展望

该研究通过界面共晶策略制备的柔性聚合物-无机复合薄膜具有超强磁电耦合性能，磁容系数高达23.6%，响应速度达1 ms⁻¹。与热电器件的交叉集成设计为小型化、多功能集成化可穿戴电子设备开发提供创新解决方案。

​应用前景：​​

  • 智能医疗监测设备

  • 人机交互界面

  • 航天器姿态监测系统

  • 可变形天线等执行器

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt2741

 

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