摘要：2025年8月8日，国际顶级学术期刊《Science》以在线全文Research Article形式发表了北京航空航天大学化学学院和仿生界面材料科学全国重点实验室刘明杰教授、李景教授团队与材料科学与工程学院赵立东教授团队在柔性磁电材料领域的最新研究进展：《St

北航科研再传喜报！

我校化学学院和

仿生界面材料科学全国重点实验室

刘明杰教授、李景教授团队

与材料科学与工程学院

赵立东教授团队

在柔性磁电材料方面

取得最新研究进展

相关成果发表于《Science》！

2025年8月8日，国际顶级学术期刊《Science》以在线全文Research Article形式发表了北京航空航天大学化学学院和仿生界面材料科学全国重点实验室刘明杰教授、李景教授团队与材料科学与工程学院赵立东教授团队在柔性磁电材料领域的最新研究进展：《Strain-coupled, crystalline polymer-inorganic interfaces for efficient magnetoelectric sensing》。该研究通过界面共晶策略成功制备了一种高性能聚合物-无机纳米复合薄膜，为柔性磁电材料的设计与应用开辟了新路径。研究团队通过对铁磁性二硒化钒（VSe₂）单层表面进行重氮化修饰，从而在铁磁性纳米片与铁电性高分子聚偏二氟乙烯（PVDF）之间构建了亚分子级平整的界面结构。这种高度结晶的复合界面有效抑制了能量耗散并提高了界面能量传递效率，最终制得的复合薄膜展现出卓越的磁电性能——磁容系数高达23.6%，且具备超快磁电响应速度（1 ms-1）。值得关注的是，该器件实现了与热电器件的交叉集成，所制备的集成器件展现出长时稳定的信号输出特性，为小型化、多功能化可穿戴设备的创新发展提供了全新设计策略。

第一作者：博士生何彬彬

通讯作者：刘明杰教授，赵立东教授，李景教授

第一单位：北京航空航天大学

在科技高速发展的当下，材料科学作为技术基石，持续引领创新方向。随着电子设备向柔性化、可穿戴化与智能化加速演进，兼具磁性与电性耦合特性的磁电材料，凭借“磁-电”双向转换的独特优势，成为研究焦点。其磁容效应（电容随磁场变化）因低功耗、小型化潜力，在器件集成领域备受关注。而力-磁-电多场耦合特性，更有利于其集成于航天器中，实时监测飞行器姿态调整时的磁场扰动、机械应力分布及微小形变，为故障预警提供数据支撑；其在外加磁场下的形变特性也可用于开发微型姿态调整执行器或可变形天线，提升任务灵活性。此外，磁电材料也在信息存储、能量收集等领域展现出巨大应用价值。

磁电材料在航空航天领域中的应用（图片由Deepseek生成）

相较于传统霍尔传感与磁阻传感，磁电传感通过电场与磁场的协同调控，具备更低的功耗与成本优势。然而，单相磁电材料受限于电子轨道填充的互斥效应，磁电耦合系数普遍较低。近年来，为实现室温下大且稳定的磁电性能，研究者更倾向于将铁电相与铁磁相通过紧密界面结合构建复合材料——其磁电耦合主要依赖应变传递机制，因此微观结构设计与磁-电界面性质成为关键。尽管科学家已通过材料设计、界面工程等手段着力提升磁电耦合性能，但现有材料多为刚性无机体系，难以满足柔性可穿戴需求。若以铁电高分子（如PVDF）为基质，虽可提升柔性，却面临动态机械作用下聚合物链段运动引发内摩擦、能量耗散严重等问题，制备强磁电耦合的柔性复合材料仍是一项重大挑战。

针对这一难题，本研究创新性地提出铁磁无机单层与铁电高分子的界面共晶策略，成功制备出高性能柔性磁电纳米复合材料（图1A）。具体而言，VSe₂单层表面的官能团可促进其在聚合物基质中的晶格松弛，进而形成亚分子级平整界面，并诱导铁电高分子PVDF有序取向为电活性β晶型。相较于传统颗粒基磁电复合材料，本研究制备的亚分子级平整界面层状磁电材料具有两大优势：一是PVDF中高含量、有序的β相晶型，二是低能耗散界面（图1B）。通过重氮盐修饰，铁磁性VSe₂单层表面形成了致密的官能团（命名为VSe₂-COOH），有效解决了表面能引发的纳米片褶皱与团聚问题，实现了界面匹配的复合薄膜制备。VSe₂-COOH上丰富的羧基通过氢键作用为极性β相PVDF提供了成核位点（图1C）。纳米片的均匀分散增大了界面比表面积，更有利于剪切流诱导取向。研究进一步采用纳米限域去浸润法（包含吸附、取向、共晶过程，图1D）制备薄膜，其高结晶度与高效能量传递特性显著提升了磁电效应与整体传感性能。

图1 高性能磁电薄膜的制备。（A）典型聚合物基铁性材料的性能雷达图对比。（B）传统颗粒基磁电复合材料与层状磁电复合材料的结构示意图。（C）VSe2、重氮化修饰VSe2以及诱导PVDF的β相成核示意图。（D）磁电薄膜的制备过程与机理示意图。

为阐明磁电耦合机理，研究团队通过理论分析、模拟与定量实验进行了系统分析：铁电相与铁磁相的共晶界面是实现高效能量传递的关键（图2A、B）。具体而言，在交变磁场作用下，铁磁纳米片会发生动态应变伸缩，该应变通过界面传递至铁电相。当纳米片含量较低时，铁电相结晶度不足，界面处存在大量可运动的高分子链，链段运动引发的内摩擦会耗散机械能，削弱磁电耦合效率；而当纳米片含量达到临界阈值时，界面共晶结构形成，有序的界面能有效促进应变从铁磁纳米片向极性铁电相的高效定向传递，大幅降低能量耗散，从而实现强磁电耦合效应。基于上述磁电耦合机理，研究团队进一步探究了该复合薄膜的磁电性能与应用潜力。实验结果表明，其响应速度高达1ms-1，较传统力传感器快10倍（图2C）。并且，该薄膜的磁容系数显著优于传统磁电材料，展现出该材料的强磁电耦合性能（图2D）。

图2 纳米复合薄膜的磁电耦合机理以及性能对比图。（A）低结晶度和（B）高结晶度下磁电耦合过程的机理示意图。（C）磁电传感器的响应速度对比图。（D）磁电复合薄膜的磁容系数对比图。

基于该薄膜优异的磁电耦合特性，研究团队进一步将其制备为可穿戴磁电传感器。实验表明，该传感器具备柔性可穿戴特性（图3A），能够实现对环境磁场的实时监测（图3B）。当与热电冷却模块集成后（图3C），传感器测量标准偏差由初始的0.05降低至0.02，稳定性大幅提升。此外，基于热电器件辅助的宽温域测试（覆盖室温至人体体温区间）结果表明，磁容系数在全温程范围内保持高度稳定（图3D），有力验证了其在复杂环境场景下的可靠工作性能。

图3 磁电传感器的多功能应用。（A）可穿戴磁容传感器的结构示意图及其（B）对生活中多种磁场的检测结果。（C）在外加磁场下集成或不集成热电冷却器的电容值。（D）不同温度下的磁容系数，插图显示了热电冷却器的均匀温度分布情况。

综上，研究人员通过界面共晶策略制备了一种具有超强磁电耦合性能的柔性聚合物-无机复合薄膜，该复合薄膜展现出优异的柔韧性、机械性能和磁电性能。此外，实验进一步验证了该薄膜在可穿戴磁电传感器领域的应用潜力，其超快响应特性、稳定的磁电输出、与热电器件的集成设计，为小型化、多功能集成化可穿戴电子设备的开发提供了创新性解决方案，有望推动智能医疗监测、人机交互等领域的器件革新。

该工作得到中国科学院江雷院士的指导。中国科学院化学研究所王栋研究员在微观压电测试方面给予了支持，北京航空航天大学机械工程及自动化学院冯林教授在磁电测试方面提供了帮助，北京航空航天大学分析测试中心在实验设施及技术方面给予了支持。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、腾讯科学探索奖等项目的资助。

未来，北航科研团队

将继续深耕材料科学

与交叉学科领域

以更多原创性成果

推动前沿技术突破

来源：微言校园一点号