新技术有望开发下一代传感器和致动器

美国坦普尔大学和马里兰大学研究人员发现了一新类型磁铁，当放置于磁场中时，其体积会发生膨胀，且在能量收集过程中浪费的热量少至可忽略不计。这一新发现拥有巨大应用潜力，不仅有望取代现有技术，还可创建新的应用。坦普尔大学机械工程系系主任、材料基因组学和量子器件实验室负责人哈希·迪普·乔普拉与马里兰大学材料科学和工程系教授曼弗雷德·乌提格在21日出版的《自然》杂志上发表了他们的研究结果。

乔普拉说：“我们的发现从根本上改变了我们对自1841年以来就已有所认识的某种特定类型的磁铁的理解。”

19世纪40年代，英国物理学家詹姆斯·焦耳发现，当被置于磁场中时，铁基磁性材料会改变它们的形状，但体积保持不变。这种现象被称为“焦耳磁致伸缩”，自发现至今的175年中，所有磁体都表现出了这一特征。

“我们发现了一类新的磁铁，我们称之为非焦耳磁致伸缩磁铁。在磁场中，它们的体积出现了巨大变化。”查普拉说， “而且，这些非焦耳磁致伸缩磁铁还具有以最小的热量损失来收集或转换能量的非凡能力。”

乔普拉和乌提格将特定的铁基合金放在炉中加热至大约760摄氏度，并持续30分钟，之后迅速将其冷却到室温，这时材料表现出了非焦耳磁致伸缩行为。

他们发现，经过热处理的材料中包含从未见过的微小蜂窝状结构，这是其在磁场中表现出非焦耳磁致伸缩反应的关键。乌提格补充说： “知道这个独特的结构将使研究人员能够开发出具有同样特性的新材料。”

研究人员指出，受焦耳磁致伸缩所限，常规磁铁只能被用作在一个方向上施加力的致动器。即便只在两个方向上致动，也需要大量笨重的磁铁，这会增大体积、降低效率。而非焦耳磁致伸缩磁铁可同时向各个方向膨胀，因此要制造紧凑型全向致动器将很容易实现。

由于这些新型磁铁也有节能的特性，它们可以用来打造热损耗极低的新一代传感器和致动器，应用于航空航天、汽车、生物医药、国防、空间探索和机器人等领域。

研究人员还表示，这种新型磁铁不含稀土元素，因而可以替代现有的昂贵但机械性能低的稀土基磁致伸缩材料。