《Advanced Science》：Magneto-X Effects in Magnetic Soft Materials and Their Applications
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这篇综述系统性阐述了磁软材料(MSMs)这一新兴复合材料，其将磁性响应与软聚合物/凝胶的柔顺性相结合。文章深入分析了磁流变(MR)、磁弹性、磁热、磁致驱动变形、磁阻及磁电等多种“磁-X效应”的原理与研究进展，并系统介绍了这类材料在软体机器人、生物医学工程和柔性电子学等前沿领域的最新应用，展现了其作为智能材料的巨大潜力。最后，文章指出了多物理场建模和规模化制备等挑战，并展望了未来集成智能系统的发展路线图。
在材料科学的前沿，一类名为磁软材料(MSMs)的智能复合材料正悄然兴起，它将磁性填料（如磁性颗粒）分散在柔软的聚合物基质（如液体、凝胶或弹性体）中，巧妙地将材料的磁响应性与机械柔顺性融合在一起。这不仅让材料能够“感知”并“响应”外部磁场，还使其能够像生物组织一样进行大尺度的可逆形变，为诸多领域带来了革命性的可能。
磁软材料：定义、构成与分类
首先需要明确，磁软材料(MSMs)与“软磁材料”有本质区别。“软磁材料”中的“软”指的是其磁学特性（高磁导率、低矫顽力），而磁软材料的“软”强调的是其机械性能，即整体的柔韧性和可变形性。其基质的杨氏模量通常在10 kPa到10 MPa之间，远低于传统功能材料（常>GPa），使其能承受超过10%的大应变。
磁软材料的特性和应用主要由两个相互关联的设计要素决定：软基质和嵌入的磁性填料。基于基质材料，主要可分为三类：磁流体、磁水凝胶和磁弹性体。
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磁流体：包括磁流变(MR)流体和铁磁流体，磁性颗粒悬浮在牛顿或非牛顿液体载体中。磁场可使其流变特性发生剧烈、快速、可逆的变化，但不支持持续的弹性形变。
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磁水凝胶：由交联的亲水聚合物网络（如海藻酸盐、聚丙烯酰胺）吸水膨胀并加入磁性填料构成，结合了磁响应性、高生物相容性和可调的溶胀行为，在生物医学领域前景广阔。
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磁弹性体：磁性颗粒嵌入交联的橡胶状聚合物中。弹性基质允许大规模可恢复的形状变化，为编程复杂的磁化模式提供了稳定平台，是磁软机器人和可重构结构的核心材料。
根据填料类型，又可进一步划分为软磁填料（如羰基铁粉）、硬磁填料（如钕铁硼NdFeB）和功能性纳米填料（如Fe3O4纳米颗粒）。通过基质与填料的战略组合，可以实现下一节将要讨论的各类“磁-X效应”的精确显现。
磁-X效应：磁软材料的功能核心
磁软材料在外部磁场下表现出一系列独特的磁响应效应，构成了其功能的基础。其中最重要的效应包括：
1. 磁流变效应
磁流变(MR)效应是最显著的现象之一，指材料的流变或力学性能（如粘度、杨氏模量、屈服应力）在外部磁场下发生可控且可逆的变化。在MR流体中，施加磁场时，悬浮的磁性颗粒会迅速沿磁力线排列，形成链状或柱状结构，使材料从类液体状态转变为近乎固体状态，表观粘度增加数个数量级。高性能双峰MR流体（混合FeCo纳米颗粒和羰基铁颗粒）可同时实现增强的剪切屈服强度、改善的沉降稳定性和保持低零场粘度。近年来，以液态金属（如EGaIn）作为载体的液态金属基磁流体材料，克服了传统载体的局限性，并赋予了高导电性，极大地扩展了磁流体的功能性。
2. 磁弹性、巨磁弹性及多孔耦合系统
磁弹性效应指的是材料磁态与其机械形变之间的相互耦合。近年来，研究重点已转向软物质系统。Chen课题组在2021年报道了软系统中的“巨磁弹性效应”，其磁-力耦合系数远高于刚性对应物。该效应利用响应性磁网络，在生物力学尺度的应力下产生显著的周围磁场变化，而无需外部磁场，为自供电传感平台提供了可能。此外，对磁弹性泡沫和结构多孔系统的研究也拓展了理解，这些多孔结构允许大的体积变化，适用于高灵敏度触觉传感。在超软复合材料中，残余磁各向异性导致显著的机械各向异性，磁驱动粘性机制使材料具有“机械记忆”和可重编程驱动能力。
3. 磁热与磁热效应
磁热效应(MCE)是一种磁热力学现象，某些材料由于磁熵变ΔSm而在外部磁场下经历温度变化。而更广义的磁热效应——指在交变磁场下通过磁损耗机制（如奈尔/布朗弛豫或磁滞损耗）产生热量——是磁热疗的驱动力。基于磁性纳米颗粒的磁热疗是治疗实体瘤的一种有前景的新方法，常用的材料是10–100 nm范围内的氧化铁纳米颗粒。优化颗粒尺寸、成分和表面性质，以及深入理解局部感应加热对细胞/亚细胞结构的破坏作用，是提高疗效的关键。例如，通过基因工程和仿生矿化策略开发的磁性蛋白质纳米笼，实现了超高磁热转换效率。此外，微米级磁性颗粒的感应加热效应也被探索用于静脉曲张热消融治疗等宏观应用。
4. 磁驱动变形效应
磁驱动变形效应是实现磁软材料多功能性的基石，指利用外部磁场诱导材料发生复杂、大规模、可逆的形状变化。实现这种可编程形变的关键在于预先设计并嵌入弹性体基质中的非均匀磁化分布图案。理论建模需基于严格的连续介质力学框架，考虑磁弹耦合的强非线性。在工程实现上，除了通过模板辅助磁化或3D打印磁化进行固定编程外，可重编程磁驱动技术正成为研究热点。例如，基于激光诱导相变的可重编程磁驱动技术，通过加热至居里点以上重置磁化，在冷却过程中施加新磁场，可重新分配内部磁化图案。此外，利用具有不同矫顽力的双组分磁性颗粒，可在室温下实现选择性磁化重定向，无需加热。
5. 磁阻效应与磁电效应
磁阻效应是指材料电阻在施加磁场下发生变化的物理现象，常见类型包括巨磁阻(GMR)、各向异性磁阻(AMR)和隧穿磁阻(TMR)。
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巨磁阻(GMR)：该效应已成功应用于柔性电子领域。通过结合“杨氏模量分布结构”与液态金属电极等策略，研究者成功构建了全向可拉伸的自旋阀传感器阵列，能在高达86%的全向应变下保持稳定性能，实现了可贴合皮肤的非接触交互电子皮肤。
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各向异性磁阻(AMR)：AMR效应与磁弹性材料结合，催生了柔性磁弹性传感器。当材料发生机械应变时，其磁弹性各向异性改变，导致磁化方向偏移，进而通过AMR效应以电信号形式读出，实现机械变形到电信号的直接转换。
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隧穿磁阻(TMR)：TMR结构与磁性材料的磁弹性效应结合，可实现高精度应力传感。例如，使用三轴TMR传感器非侵入式测量机械应力引起的材料自磁通密度微小变化，实现了对疲劳裂纹尖端应力分布的高分辨率成像。
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磁电效应：指材料在外磁场下产生电极化，或在外电场下被磁化的现象。复合材料的磁电效应通常通过磁致伸缩材料与压电材料机械集成来实现。最近，有研究提出了一种基于电磁感应的柔性磁电系统，将低模量磁性材料和导电铜线圈分散在柔性介质中，当弹性体被压缩或恢复时，磁铁与线圈之间距离变化，改变磁通量并产生感应电动势，实现了超快变形和超高灵敏度传感。
结语
磁软材料作为一个快速发展的跨学科领域，其独特的性能正在软体机器人、生物医学、柔性电子、能源与环境技术等多个前沿领域展现出变革性的应用潜力。从理解基本的磁-X物理效应，到设计先进的功能性复合材料，再到开发创新的应用设备，该领域正经历着从基础科学发现到工程应用的深刻转变。尽管仍面临多物理场建模、规模化制造、长期稳定性等挑战，但随着材料设计、制造技术和理论模型的不断进步，磁软材料有望在未来引领智能材料与系统的发展，为人类健康和生活带来更多创新解决方案。
