北航科研再傳喜訊！北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院和仿生界面材料科學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉明杰教授、李景教授團(tuán)隊(duì)，與材料科學(xué)與工程學(xué)院趙立東教授團(tuán)隊(duì)，在柔性磁電材料方面取得最新研究進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表于《Science》。

2025年8月8日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Science》以在線(xiàn)全文Research Article形式發(fā)表了北航團(tuán)隊(duì)在柔性磁電材料領(lǐng)域的最新研究：《Strain-coupled, crystalline polymer-inorganic interfaces for efficient magnetoelectric sensing》。該研究通過(guò)界面共晶策略成功制備高性能聚合物 - 無(wú)機(jī)納米復(fù)合薄膜，為柔性磁電材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用開(kāi)辟新路徑。團(tuán)隊(duì)對(duì)鐵磁性二硒化釩（VSe?）單層表面進(jìn)行重氮化修飾，在鐵磁性納米片與鐵電性高分子聚偏二氟乙烯（PVDF）間構(gòu)建亞分子級(jí)平整界面結(jié)構(gòu)。這種高度結(jié)晶的復(fù)合界面抑制能量耗散、提高能量傳遞效率，制得的復(fù)合薄膜磁電性能卓越，磁容系數(shù)達(dá)23.6%，磁電響應(yīng)速度超快（1 ms - 1）。該器件還實(shí)現(xiàn)與熱電器件交叉集成，集成器件信號(hào)輸出穩(wěn)定，為可穿戴設(shè)備創(chuàng)新發(fā)展提供新策略。

第一作者是博士生何彬彬，通訊作者為劉明杰教授、趙立東教授、李景教授，第一單位是北京航空航天大學(xué)。

在科技發(fā)展中，材料科學(xué)引領(lǐng)創(chuàng)新。隨著電子設(shè)備向柔性化、可穿戴化、智能化發(fā)展，磁電材料成為研究焦點(diǎn)。其磁容效應(yīng)在器件集成領(lǐng)域受關(guān)注，力 - 磁 - 電多場(chǎng)耦合特性利于在航天器中應(yīng)用。然而，單相磁電材料磁電耦合系數(shù)低，復(fù)合材料雖有改進(jìn)，但現(xiàn)有材料多為剛性無(wú)機(jī)體系，難以滿(mǎn)足柔性可穿戴需求。以鐵電高分子為基質(zhì)又面臨能量耗散問(wèn)題，制備強(qiáng)磁電耦合的柔性復(fù)合材料是重大挑戰(zhàn)。

針對(duì)難題，本研究提出界面共晶策略，制備出高性能柔性磁電納米復(fù)合材料。VSe?單層表面官能團(tuán)促進(jìn)晶格松弛，形成亞分子級(jí)平整界面，誘導(dǎo)PVDF為電活性β晶型。該材料具有高含量有序β相晶型和低能耗散界面兩大優(yōu)勢(shì)。通過(guò)重氮鹽修飾解決納米片褶皺與團(tuán)聚問(wèn)題，納米片均勻分散增大界面比表面積。采用納米限域去浸潤(rùn)法制備薄膜，提升磁電效應(yīng)與傳感性能。

圖1 高性能磁電薄膜的制備。（A）典型聚合物基鐵性材料的性能雷達(dá)圖對(duì)比。（B）傳統(tǒng)顆?；烹姀?fù)合材料與層狀磁電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖。（C）VSe2、重氮化修飾VSe2以及誘導(dǎo)PVDF的β相成核示意圖。（D）磁電薄膜的制備過(guò)程與機(jī)理示意圖。

研究團(tuán)隊(duì)分析磁電耦合機(jī)理，發(fā)現(xiàn)鐵電相與鐵磁相的共晶界面是能量傳遞關(guān)鍵。納米片含量達(dá)到臨界閾值時(shí)，形成有序界面，降低能量耗散，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁電耦合。實(shí)驗(yàn)表明，復(fù)合薄膜響應(yīng)速度快，磁容系數(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)材料。

圖2 納米復(fù)合薄膜的磁電耦合機(jī)理以及性能對(duì)比圖。（A）低結(jié)晶度和（B）高結(jié)晶度下磁電耦合過(guò)程的機(jī)理示意圖。（C）磁電傳感器的響應(yīng)速度對(duì)比圖。（D）磁電復(fù)合薄膜的磁容系數(shù)對(duì)比圖。

基于薄膜優(yōu)異特性，團(tuán)隊(duì)制備可穿戴磁電傳感器。該傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)，與熱電冷卻模塊集成后穩(wěn)定性提升，磁容系數(shù)在寬溫域內(nèi)穩(wěn)定。

圖3 磁電傳感器的多功能應(yīng)用。（A）可穿戴磁容傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖及其（B）對(duì)生活中多種磁場(chǎng)的檢測(cè)結(jié)果。（C）在外加磁場(chǎng)下集成或不集成熱電冷卻器的電容值。（D）不同溫度下的磁容系數(shù)，插圖顯示了熱電冷卻器的均勻溫度分布情況。

綜上，研究人員制備的柔性聚合物 - 無(wú)機(jī)復(fù)合薄膜磁電耦合性能超強(qiáng)，驗(yàn)證了其在可穿戴磁電傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為可穿戴電子設(shè)備開(kāi)發(fā)提供創(chuàng)新方案，有望推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域器件革新。

該工作得到中國(guó)科學(xué)院江雷院士指導(dǎo)，王棟研究員、馮林教授等提供支持，研究受多項(xiàng)項(xiàng)目資助。

研究鏈接：

https未來(lái)，北航科研團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深耕材料科學(xué)與交叉學(xué)科領(lǐng)域，以原創(chuàng)成果推動(dòng)前沿技術(shù)突破，為科技強(qiáng)國(guó)建設(shè)貢獻(xiàn)北航智慧！

出品 | 航小萱?工作室

素材來(lái)源｜材料科學(xué)與工程學(xué)院 化學(xué)學(xué)院

編輯 | 李婧馨

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