具有多功能性的材料对社会产生了巨大的影响。然而，无法克服的多种功能权衡限制了下一代多功能材料的发现。
与传统的合金化设计理念不同，燕山大学张湘义教授和北京航空航天大学张海天教授等人提出了一种分层纳米结构（HNS）策略，以同时打破材料中的多种性能权衡。使用镨-钴（PrCo5）铁磁体作为概念验证，所得的HNS优于当代高温铁磁体，电阻率增加了50%至138%，同时实现了最高的能量密度。本文的策略还实现了卓越的矫顽力热稳定性（−0.148%/°C），这是器件精度和可靠性的关键特性，超过了现有的商用稀土磁体。多功能性源于特意引入的纳米层次结构，该结构激活多种微机制来抵抗畴壁运动和电子传输，为多功能材料提供了先进的设计理念。
相关文章以“Fast fabrication of a hierarchical nanostructured multifunctional ferromagnet”为题发表在Science上。
需要结合不同物理特性和功能的材料来满足全球日益增长的节能、节约资源和改善人类健康的需求。例如，抗癌药物需要具有靶向和成像能力的材料，而植入材料不仅需要结构可靠性，还需要生物相容性。同样，软体机器人中的人造肌肉需要同时保证高能效和良好的柔性。在消耗全球>40%电力的传感和驱动应用中，对多功能性的需求变得尤为明显，需要一种单一的多功能材料来满足效率、准确性、可靠性和安全性等关键标准。铁磁材料是对这些应用至关重要的材料的一个例子。高能量密度，这就要求既有高饱和磁化强度（Ms）和大矫顽力（Hc），对于最大限度地提高能源效率至关重要。 为了最小化涡流损失并确保安全性，因此需要较大的电阻率，因为电机中与涡流相关的能量损失与铁磁体的电阻率有关。强大的热稳定性，即抵抗热驱动的磁不稳定性的能力，是实现高精度和可靠性的必要条件。然而，在铁磁材料中，能量密度和电阻率通常是互斥的，只能以牺牲彼此为代价来增强。 现有的提高电阻率的方法引入了绝缘和非磁性元件，从而降低了 Ms，降低能量密度。阻止热驱动的磁不稳定性，例如Hc的下降，传统方法仅优先考虑本身Hc 的增强c本身，而不是解决导致不稳定的物质内部因素。 这种策略不可避免地引入了非磁性和弱磁性元件或使用昂贵的重稀土元素，从而降低了 Ms因此是能量密度。此外，Ms和 Hc之间长期存在的权衡，限制了可以获得的能量密度。这些基本物理性能之间的权衡为铁磁材料实现所需的多功能性带来了根本的困境。同样，在其他材料系统中，由于各种功能之间的复杂权衡，实现多功能性已被证明极具挑战性。
依赖于复杂合金设计的传统策略经常会遇到两难境地。通过添加合金元素来改善一个方面必然会损害其他重要性能，从而大大限制材料性能。与合金化设计策略不同，天然材料可以通过构建从纳米到微观或宏观尺度的层次结构来很好地调和不同性能之间的冲突，这些结构具有产生多功能性的新兴机制。假设类似的原理可以应用于人造材料，通过设计具有丰富和有序子结构的分层纳米结构（HNS）来协同操纵磁性、电学、热学和光学特性，从而创建所需的多功能性。与从纳米尺度和中观尺度上升到宏观尺度的传统多级结构相比，HNS具有独特的层次结构，从纳米尺度到原子尺度级联，具有丰富的界面效应和原子尺度的组成变化。构建具有独立定制的纳米级和原子级特征的全致密体HNS仍然是一个更大的挑战。为了制作如此复杂的HNS，快速制造技术，尤其是在高温下，势在必行。
本文开发了一种结构设计策略，通过工程HNS来同时克服创建多功能材料的多种权衡。作者使用铁磁材料作为概念验证，因为它具有复杂的性能权衡，包括能量密度和电阻率之间的权衡，能量密度和热稳定性之间的折衷，以及Ms和 Hc之间的冲突，所有这些都是最大限度地提高设备的能源效率、准确性、可靠性和安全性的重要因素。由此产生的HNS铁磁体表现出超越现有高温铁磁体的多种功能特性的有吸引力的组合，具有高能量密度、大电阻率和出色的矫顽力热稳定性。尽管本文的概念验证报告侧重于通过其丰富的纳米级界面效应和原子级散射同时操纵HNS中的畴壁运动和电子传输，但其基本概念可以扩展到构建其他多功能材料，从而可以同时控制声子传输和光传播以及反应物的传输。
与传统的复杂合金化设计理念相比，本文的策略采用了一种根本不同的方法来开发多功能材料，专注于构建纳米级分层结构（图1A和B）。这种策略可以消除对大量合金元素的需求，并且仅依赖于成分普通的二元合金，从而简化了材料制造并避免了添加合金元素的权衡困境。此外，本文设计的基于焦耳加热的约束变形技术能够在几秒钟内快速合成完全致密的大规模块状材料，从而动力学地产生HNS，为制造具有可调纳米级和原子级特征的复杂块状HNS材料提供了一个强大的平台。
综上所述，与传统的合金化设计策略不同，本文展示了一种HNS设计概念，该概念通过HNS诱导的新兴物理机制，克服了在创建多功能材料时的多重权衡，其中通过纳米多级结构的丰富界面效应激活了多样化的功能机制。与传统电机相比，HNS铁磁体中高能量密度和大电阻率的不寻常组合导致驱动电机的涡流损耗从161.1 W/kg减少到 72.1 W/kg，工作温度下降 ~27℃，实验结果进一步证明了这一点，有助于提高电动汽车的效率和安全性。此外，同时具有出色的矫顽力热稳定性，在特殊传感器、环行器和执行器中开辟了潜在的应用。所有这些设备都需要高精度和可靠性。
尽管这是一项概念验证研究，侧重于通过工程HNS同时操纵畴壁运动和电子传输，但作者认为，基本概念可以扩展到同时控制声子传输和光传播以及反应物的传输。这应该使策略通常适用于其他材料系统，以产生理想的多功能性，包括铁电、热电和催化材料，在这些材料中，需要克服多种相互冲突的特性。此外，基于焦耳热的约束变形技术为创建具有可调纳米级和原子级特征的块体HNS材料提供了一个快速制造平台，并促进了下一代多功能材料的技术应用。作者还预计，这种快速、远离平衡的制造技术将用于生成各种高性能材料，这些材料具有各种亚稳态结构和亚稳态相，这些材料超出了传统方法的范围。
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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