具有多功能性的材料對社會產生了巨大的影響。然而，無法克服的多種功能權衡限制了下一代多功能材料的發現。
與傳統的合金化設計理念不同，燕山大學張湘義教授和北京航空航天大學張海天教授等人提出了一種分層納米結構（HNS）策略，以同時打破材料中的多種性能權衡。使用鐠-鈷（PrCo5）鐵磁體作為概念驗證，所得的HNS優于當代高溫鐵磁體，電阻率增加了50%至138%，同時實現了最高的能量密度。本文的策略還實現了卓越的矯頑力熱穩定性（?0.148%/°C），這是器件精度和可靠性的關鍵特性，超過了現有的商用稀土磁體。多功能性源于特意引入的納米層次結構，該結構激活多種微機制來抵抗疇壁運動和電子傳輸，為多功能材料提供了先進的設計理念。
相關文章以“Fast fabrication of a hierarchical nanostructured multifunctional ferromagnet”為題發表在Science上。
需要結合不同物理特性和功能的材料來滿足全球日益增長的節能、節約資源和改善人類健康的需求。例如，抗癌藥物需要具有靶向和成像能力的材料，而植入材料不僅需要結構可靠性，還需要生物相容性。同樣，軟體機器人中的人造肌肉需要同時保證高能效和良好的柔性。在消耗全球>40%電力的傳感和驅動應用中，對多功能性的需求變得尤為明顯，需要一種單一的多功能材料來滿足效率、準確性、可靠性和安全性等關鍵標準。鐵磁材料是對這些應用至關重要的材料的一個例子。高能量密度，這就要求既有高飽和磁化強度（Ms）和大矯頑力（Hc），對于最大限度地提高能源效率至關重要。?為了最小化渦流損失并確保安全性，因此需要較大的電阻率，因為電機中與渦流相關的能量損失與鐵磁體的電阻率有關。強大的熱穩定性，即抵抗熱驅動的磁不穩定性的能力，是實現高精度和可靠性的必要條件。然而，在鐵磁材料中，能量密度和電阻率通常是互斥的，只能以犧牲彼此為代價來增強。?現有的提高電阻率的方法引入了絕緣和非磁性元件，從而降低了?Ms，降低能量密度。阻止熱驅動的磁不穩定性，例如Hc的下降，傳統方法僅優先考慮本身Hc?的增強c本身，而不是解決導致不穩定的物質內部因素。?這種策略不可避免地引入了非磁性和弱磁性元件或使用昂貴的重稀土元素，從而降低了 Ms因此是能量密度。此外，Ms和?Hc之間長期存在的權衡，限制了可以獲得的能量密度。這些基本物理性能之間的權衡為鐵磁材料實現所需的多功能性帶來了根本的困境。同樣，在其他材料系統中，由于各種功能之間的復雜權衡，實現多功能性已被證明極具挑戰性。
依賴于復雜合金設計的傳統策略經常會遇到兩難境地。通過添加合金元素來改善一個方面必然會損害其他重要性能，從而大大限制材料性能。與合金化設計策略不同，天然材料可以通過構建從納米到微觀或宏觀尺度的層次結構來很好地調和不同性能之間的沖突，這些結構具有產生多功能性的新興機制。假設類似的原理可以應用于人造材料，通過設計具有豐富和有序子結構的分層納米結構（HNS）來協同操縱磁性、電學、熱學和光學特性，從而創建所需的多功能性。與從納米尺度和中觀尺度上升到宏觀尺度的傳統多級結構相比，HNS具有獨特的層次結構，從納米尺度到原子尺度級聯，具有豐富的界面效應和原子尺度的組成變化。構建具有獨立定制的納米級和原子級特征的全致密體HNS仍然是一個更大的挑戰。為了制作如此復雜的HNS，快速制造技術，尤其是在高溫下，勢在必行。
本文開發了一種結構設計策略，通過工程HNS來同時克服創建多功能材料的多種權衡。作者使用鐵磁材料作為概念驗證，因為它具有復雜的性能權衡，包括能量密度和電阻率之間的權衡，能量密度和熱穩定性之間的折衷，以及Ms和?Hc之間的沖突，所有這些都是最大限度地提高設備的能源效率、準確性、可靠性和安全性的重要因素。由此產生的HNS鐵磁體表現出超越現有高溫鐵磁體的多種功能特性的有吸引力的組合，具有高能量密度、大電阻率和出色的矯頑力熱穩定性。盡管本文的概念驗證報告側重于通過其豐富的納米級界面效應和原子級散射同時操縱HNS中的疇壁運動和電子傳輸，但其基本概念可以擴展到構建其他多功能材料，從而可以同時控制聲子傳輸和光傳播以及反應物的傳輸。
與傳統的復雜合金化設計理念相比，本文的策略采用了一種根本不同的方法來開發多功能材料，專注于構建納米級分層結構（圖1A和B）。這種策略可以消除對大量合金元素的需求，并且僅依賴于成分普通的二元合金，從而簡化了材料制造并避免了添加合金元素的權衡困境。此外，本文設計的基于焦耳加熱的約束變形技術能夠在幾秒鐘內快速合成完全致密的大規模塊狀材料，從而動力學地產生HNS，為制造具有可調納米級和原子級特征的復雜塊狀HNS材料提供了一個強大的平臺。
綜上所述，與傳統的合金化設計策略不同，本文展示了一種HNS設計概念，該概念通過HNS誘導的新興物理機制，克服了在創建多功能材料時的多重權衡，其中通過納米多級結構的豐富界面效應激活了多樣化的功能機制。與傳統電機相比，HNS鐵磁體中高能量密度和大電阻率的不尋常組合導致驅動電機的渦流損耗從161.1 W/kg減少到 72.1 W/kg，工作溫度下降 ~27℃，實驗結果進一步證明了這一點，有助于提高電動汽車的效率和安全性。此外，同時具有出色的矯頑力熱穩定性，在特殊傳感器、環行器和執行器中開辟了潛在的應用。所有這些設備都需要高精度和可靠性。
盡管這是一項概念驗證研究，側重于通過工程HNS同時操縱疇壁運動和電子傳輸，但作者認為，基本概念可以擴展到同時控制聲子傳輸和光傳播以及反應物的傳輸。這應該使策略通常適用于其他材料系統，以產生理想的多功能性，包括鐵電、熱電和催化材料，在這些材料中，需要克服多種相互沖突的特性。此外，基于焦耳熱的約束變形技術為創建具有可調納米級和原子級特征的塊體HNS材料提供了一個快速制造平臺，并促進了下一代多功能材料的技術應用。作者還預計，這種快速、遠離平衡的制造技術將用于生成各種高性能材料，這些材料具有各種亞穩態結構和亞穩態相，這些材料超出了傳統方法的范圍。
Yingxin Hua?, Xiaohong Li?, Jiaxu Li, Xiang Luo, Yuqing Li, Wenyue Qin, Liqiang Zhang, Jianwei Xiao, Weixing Xia, Ping Song, Ming Yue, Hai-Tian Zhang*, Xiangyi Zhang*,?Fast fabrication of a hierarchical nanostructured multifunctional ferromagnet, Science.
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