仿生功能材料授課教師2第四章仿生磁性功能材料第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)仿生磁感知材料仿生磁性吸波材料仿生功能材料第一節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)導(dǎo)語第一章緒論近幾十年，磁性功能材料的應(yīng)用范圍快速擴(kuò)展，從工業(yè)生產(chǎn)到家庭生活，都離不開磁的應(yīng)用。磁學(xué)和磁技術(shù)的發(fā)展，既構(gòu)成科學(xué)技術(shù)史的一個(gè)方面，更為生產(chǎn)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步做出了重要的貢獻(xiàn)。永磁、磁記錄和高頻材料的進(jìn)步，支撐了計(jì)算機(jī)、電信設(shè)備以及電器持續(xù)升級(jí)；永磁體的回歸取代了年產(chǎn)量為數(shù)十億的微型電動(dòng)機(jī)中的電磁鐵；磁記錄支撐了信息革命和互聯(lián)網(wǎng)；衛(wèi)星通信和光通信使用了多種旋磁器件、磁光器件和應(yīng)用磁場(chǎng)的電子或光的有源器件；磁學(xué)在地球科學(xué)、醫(yī)學(xué)影像和相變理論中都有重大進(jìn)展。圖1磁性材料的應(yīng)用一、磁學(xué)基礎(chǔ)（一）靜磁學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)第一章緒論物理學(xué)派-以電流磁場(chǎng)為基礎(chǔ)-國(guó)際單位制（SI單位制）工程學(xué)派-以磁極理論為基礎(chǔ)-高斯單位制（CGS單位制）兩個(gè)學(xué)派在哪種相互作用最能反映磁性本質(zhì)的問題上具有分歧，衍生出不同形式的磁學(xué)公式，采用兩種不同的單位制。為了便于理解和適應(yīng)，本課程沒有采用單一單位制作為標(biāo)準(zhǔn)，選用合適單位制來介紹相關(guān)問題。區(qū)別補(bǔ)充一、磁學(xué)基礎(chǔ)（二）磁場(chǎng)第一節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)第一章緒論磁極：將非常長(zhǎng)的條形磁體的端部近似為單個(gè)磁極，將自由懸掛的條形磁體朝北和朝南的端部分別稱為北極和南極，磁場(chǎng)源于北極，歸于南極磁場(chǎng)(H)：磁極受到作用力的空間稱為磁場(chǎng)

磁極強(qiáng)度(p)：?jiǎn)挝淮艠O強(qiáng)度相當(dāng)于1cm的兩個(gè)單位磁極之間產(chǎn)生1dyn的作用力

圖2條形磁體周圍的磁極和磁力線分布一、磁學(xué)基礎(chǔ)（二）磁場(chǎng)第一節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)第一章緒論磁通量（Φ）：磁場(chǎng)法向分量的表面積分，這意味著通過垂直于磁場(chǎng)方向的單位面積的磁通量等于磁場(chǎng)強(qiáng)度

安培環(huán)路定理：安培在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)小電流環(huán)與小磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)是相同的，從而提出了“分子電流”猜想，磁場(chǎng)沿某一閉合路徑的線積分等于該閉合路徑所包圍的總電流I：

畢奧-薩伐爾（Biot-Savart）定律：給出了與安培環(huán)路定理等效的描述，單位長(zhǎng)度導(dǎo)體dl上電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)dH為：

一、磁學(xué)基礎(chǔ)（三）磁矩第一節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)第一章緒論磁矩：條形磁體或電流環(huán)在外磁場(chǎng)中所受的力偶矩

其中，m=pl，

m即為磁矩，表示磁極強(qiáng)度與磁體長(zhǎng)度的乘積，定義為：磁體在與之相垂直的1Oe磁場(chǎng)中所受的力偶矩。CGS單位制中，單位為emu；SI單位制中，單位為A·m2圖3條形磁體在磁場(chǎng)中受到的力矩一、磁學(xué)基礎(chǔ)（四）磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁化強(qiáng)度與磁通密度第一節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)第一章緒論當(dāng)磁場(chǎng)H作用于材料時(shí)，材料對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度B

M是材料的基本屬性，既可以看作大小相等且相互平行排列的磁偶極子磁矩(圖4a)，又可以看作是磁體內(nèi)部可相互抵消的閉合電流環(huán)的集合(圖3b)圖4兩個(gè)不同角度的磁化強(qiáng)度理解一、磁學(xué)基礎(chǔ)（四）磁化率與磁導(dǎo)率第一節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)第一章緒論

一、磁學(xué)基礎(chǔ)（五）磁滯回線第一節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)第一章緒論描述B（或M）隨H變化關(guān)系的曲線稱為磁滯回線，磁性材料的實(shí)際應(yīng)用在很大程度上取決于其磁滯回線的特征原點(diǎn)磁中性狀態(tài)，隨外磁場(chǎng)沿正向增加，磁化強(qiáng)度從零增大到Bs，該值稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度HB0HcBrBs-Br-Bs重復(fù)前面步驟，降低反向磁場(chǎng)、改變磁場(chǎng)方向、增大正向磁場(chǎng)，材料又會(huì)被正向飽和磁化。整條曲線稱為磁滯回線，兩端都代表磁飽和，且關(guān)于原點(diǎn)呈反轉(zhuǎn)對(duì)稱性反向磁場(chǎng)繼續(xù)增大，材料進(jìn)一步被反向飽和磁化磁感應(yīng)強(qiáng)度降至零，對(duì)應(yīng)的反向磁場(chǎng)稱為矯頑力，用Hc表示飽和后，H降至零時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度由Bs降至Br，Br稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度或剩磁圖5鐵磁和亞鐵磁材料的磁滯回線二、磁性材料的分類與應(yīng)用第一節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)第一章緒論按照磁體磁化時(shí)磁化率的大小和符號(hào)，可以將物質(zhì)的磁性分為五個(gè)種類：抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性和亞鐵磁性，它們分別對(duì)應(yīng)于不同的內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)。物質(zhì)的磁性并不是一成不變的。同一種物質(zhì)，在不同的環(huán)境條件下，可以具有不同的磁性。不同磁性物質(zhì)的磁化率與溫度的關(guān)系曲線（??-T曲線）如圖6所示：圖6五種磁性的磁化率與溫度關(guān)系曲線二、磁性材料的分類與應(yīng)用（一）抗磁性材料及應(yīng)用第一節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)第一章緒論抗磁性：抗磁性是在外磁場(chǎng)的作用下，原子系統(tǒng)獲得與外磁場(chǎng)方向反向的磁矩的現(xiàn)象。它是一種微弱磁性，相對(duì)磁化率為負(fù)值且很小，典型數(shù)值在10-5數(shù)量級(jí)。產(chǎn)生機(jī)理：在受到外磁場(chǎng)作用時(shí)，基于電磁感應(yīng)作用原子中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流的方向與外磁場(chǎng)方向相反，原子的感生磁矩也與外磁場(chǎng)完全相反，抗磁磁化率為負(fù)值。圖7邁斯納效應(yīng)示意圖精密磁性測(cè)量：磁化率為負(fù)值的抗磁性材料+磁化率為正值的材料=內(nèi)部磁性抵消、磁化率為零，材料不受磁場(chǎng)影響磁場(chǎng)誘導(dǎo)液晶取向：磁場(chǎng)可誘導(dǎo)抗磁磁化率為各向異性的液晶材料的取向。利用液晶表面活性劑填充各向異性的孔洞，可調(diào)控二氧化硅等介孔材料在磁場(chǎng)中的取向抗磁性材料應(yīng)用：抗磁性金屬（如鉛）在磁場(chǎng)中冷卻，達(dá)到某一臨界溫度Tc時(shí)，材料將自發(fā)將內(nèi)部磁通量排斥到外部。具有高臨界磁場(chǎng)的超導(dǎo)磁體制成可以產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的超導(dǎo)線圈二、磁性材料的分類與應(yīng)用（二）順磁性材料及應(yīng)用第一節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)第一章緒論順磁性：順磁性描述的是一種弱磁性，通常出現(xiàn)在那些具有凈磁矩的材料中。在順磁性材料中，磁矩之間的耦合作用很弱，因此熱能會(huì)引起磁矩的隨機(jī)取向，如圖8所示。當(dāng)加外磁場(chǎng)后，磁矩開始取向，對(duì)于目前技術(shù)水平能夠?qū)崿F(xiàn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度而言，僅有一小部分能夠偏轉(zhuǎn)到外磁場(chǎng)方向。圖8順磁性材料在無磁場(chǎng)和中等強(qiáng)度磁場(chǎng)中磁矩排列示意圖應(yīng)用：順磁體不存在永久凈磁矩，與抗磁體類似，沒有廣泛的應(yīng)用。一個(gè)應(yīng)用是用于絕熱退磁工藝，利用順磁體來獲得超低溫，可以獲得低至千分之幾開爾文的超低溫。此外，還可以利用順磁體來研究這類具有原子磁矩，而磁矩相互之間不存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用的材料的電性能。二、磁性材料的分類與應(yīng)用（三）鐵磁性材料及應(yīng)用第一節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)第一章緒論鐵磁性：鐵磁性是一種強(qiáng)磁性，這種強(qiáng)磁性的起源是材料中的自旋平行排列，而平行排列導(dǎo)致自發(fā)磁化。這使鐵磁材料在外磁場(chǎng)作用下顯示出很強(qiáng)的磁性，他們的磁導(dǎo)率很大，同時(shí)有明顯的磁滯效應(yīng)。圖9軟磁、硬磁和矩磁材料的磁滯回線鐵磁質(zhì)，按矯頑力的大小可以將鐵磁質(zhì)分為軟磁材料、硬磁材料和矩磁材料二、磁性材料的分類與應(yīng)用（三）鐵磁性材料及應(yīng)用第一節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)第一章緒論軟磁材料：具有低矯頑力和高磁導(dǎo)率的磁性材料稱為軟磁材料。主要包括：金屬軟磁材料、鐵氧體軟磁材料、非晶態(tài)軟磁合金以及納米晶軟磁合金等。圖10變壓器軟磁材料易于磁化也易于退磁，適合在交變電流中使用，因此被廣泛應(yīng)用于電工設(shè)備和電子設(shè)備中。如變壓器、繼電器、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等。鐵氧體芯還可以應(yīng)用于高頻濾波器、電感和開關(guān)電源中的高頻變壓器，也常應(yīng)用于寬帶放大器和脈沖變壓器。圖11軟磁材料磁場(chǎng)屏蔽原理示意圖軟磁材料還可以作為電磁屏蔽材料來應(yīng)用。為了防止外磁場(chǎng)的干擾，常在示波管、顯像管中電子束聚焦部分的外部加上電磁屏蔽罩。二、磁性材料的分類與應(yīng)用（三）鐵磁性材料及應(yīng)用第一節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)第一章緒論硬磁材料：指磁化后不易退磁而能長(zhǎng)期保存磁性的材料，也稱為永磁材料。六方晶體鐵氧體和釹鐵硼主導(dǎo)了現(xiàn)在的硬磁材料市場(chǎng)。應(yīng)用在電學(xué)元件中，硬磁材料的重要作用是產(chǎn)生磁力線，使運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)線切割磁力線從而產(chǎn)生電流。常用來制作多種永久磁鐵、揚(yáng)聲器、擴(kuò)音器、電話和電子電路中的記憶元件等。我們所熟知的磁帶錄音過程就是利用硬磁材料的高剩磁來實(shí)現(xiàn)的。圖12磁帶及其工作原理示意圖二、磁性材料的分類與應(yīng)用（三）鐵磁性材料及應(yīng)用第一節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)第一章緒論矩磁材料：指具有接近矩形磁滯回線的材料。其特點(diǎn)是剩磁很大，接近于飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs，而矯頑力很小。當(dāng)有較小的外磁場(chǎng)作用時(shí)，就能使之磁化，并達(dá)到飽和，幾乎總是處于Bs或-Bs兩種不同的剩磁狀態(tài)。如鎂錳鐵氧體，鋰錳鐵氧體等應(yīng)用這類材料主要用于多種電子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)磁性介質(zhì)等方面。計(jì)算機(jī)中采用二進(jìn)制，以“0”和“1”兩個(gè)數(shù)碼進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可用矩磁材料的兩種剩磁狀態(tài)對(duì)應(yīng)這兩個(gè)數(shù)碼，起到“記憶”和“存儲(chǔ)”的作用。磁硬盤的寫入就是一種典型的利用矩磁材料的特性來實(shí)現(xiàn)的過程。圖13感應(yīng)式寫入磁頭的原理圖二、磁性材料的分類與應(yīng)用（三）反鐵磁性材料及應(yīng)用第一節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)第一章緒論反鐵磁性物質(zhì)在所有的溫度范圍內(nèi)都具有正的磁化率，但是其磁化率隨溫度有著特殊的變化規(guī)律。磁矩之間的相互作用往往使相鄰磁矩相互反平行排列。反鐵磁體可以看作是包含兩組相互貫穿、等價(jià)的磁性粒子亞晶格，如圖14。反鐵磁性物質(zhì)大多是離子化合物，如氧化物、硫化物和氯化物等，反鐵磁性金屬主要有鉻和錳。應(yīng)用反鐵磁性物質(zhì)比鐵磁性物質(zhì)常見得多，但由于沒有自發(fā)磁化，其應(yīng)用不像鐵磁體那樣廣泛。典型應(yīng)用如龐磁阻（CMR）材料。CMR材料為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳氧化物，在該材料中鐵磁到反鐵磁轉(zhuǎn)變伴隨著金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變。因此，在施加磁場(chǎng)時(shí)，它們的導(dǎo)電率會(huì)發(fā)生很大變化，這使其在磁場(chǎng)傳感器方面具有潛在的應(yīng)用前景。圖14反鐵磁晶格中磁性離子的有序性二、磁性材料的分類與應(yīng)用（三）亞鐵磁性材料及應(yīng)用第一節(jié)磁學(xué)與磁學(xué)材料基礎(chǔ)第一章緒論亞鐵磁性物質(zhì)與鐵磁性物質(zhì)有相似的宏觀磁性：居里溫度（TC）以下，存在按磁疇分布的自發(fā)磁化，能被磁化到飽和，存在磁滯現(xiàn)象；TC以上，自發(fā)磁化消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?。亞鐵磁體也與反鐵磁體有關(guān)聯(lián)，相鄰磁性粒子間的交換耦合會(huì)導(dǎo)致局域磁矩的反平行排列，如圖15。應(yīng)用典型的亞鐵磁性物質(zhì)當(dāng)屬鐵氧體。常見的有立方晶系鐵氧體和六角晶系鐵氧體。立方晶系鐵氧體是軟磁的，適合作為高頻感應(yīng)線圈磁芯和存儲(chǔ)領(lǐng)域。晶體管隨機(jī)存取存儲(chǔ)器廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)之前，存儲(chǔ)器是由鐵氧體磁芯通過導(dǎo)線網(wǎng)絡(luò)連接而成的，如圖16。六角晶系鐵氧體是硬磁性材料，廣泛應(yīng)用于永磁體。圖16亞鐵磁體與鐵磁體的磁化強(qiáng)度與磁化率倒數(shù)曲線的對(duì)比圖15亞鐵磁性晶格中磁性離子的有序結(jié)構(gòu)圖17鐵氧體磁芯存儲(chǔ)器照片第二節(jié)仿生磁感知材料導(dǎo)語第一章緒論生物可以感覺到周圍環(huán)境的特征，如溫度、光線、壓力、能源以及生物化學(xué)信號(hào)，地磁場(chǎng)信息也不例外。磁力線環(huán)繞地球時(shí)產(chǎn)生的磁傾角、磁偏角及不同磁緯度對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度構(gòu)成了可描述地球任意一點(diǎn)的地磁場(chǎng)三要素，如圖18，地磁場(chǎng)可以穩(wěn)定、準(zhǔn)確地反應(yīng)地表位點(diǎn)，為感磁生物提供信息。許多生物都可以感知微弱的地磁強(qiáng)度變化，利用地磁信息分辨出運(yùn)動(dòng)方向及距離（圖19）。圖19擁有磁感知能力的生物圖18地磁場(chǎng)信息圖一、生物磁感知機(jī)制（一）電磁感應(yīng)機(jī)制第一章緒論如果動(dòng)物體內(nèi)存在尺寸合適、充滿液體的閉合環(huán)形導(dǎo)電組織，當(dāng)動(dòng)物在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，組織內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生可被電敏感細(xì)胞接受的電信號(hào)，經(jīng)過神經(jīng)中樞整合后可能轉(zhuǎn)化為動(dòng)物定向的行動(dòng)指令。有研究認(rèn)為鰩魚和鯊魚頭部的孔狀壺腹器可作為電敏感的感磁器官，因?yàn)檫@些組織的內(nèi)腔充滿了可導(dǎo)電的黏液膠質(zhì)，且與大腦面神經(jīng)緊密相連。運(yùn)動(dòng)時(shí)，其對(duì)位側(cè)壺腹器能夠在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電位差，相應(yīng)電信號(hào)可經(jīng)面神經(jīng)傳至大腦中心，使魚類根據(jù)電信號(hào)的變化判別周圍的地理方位，進(jìn)行實(shí)時(shí)定向。圖20鯊魚的電磁感應(yīng)機(jī)制第二節(jié)仿生磁感知材料一、生物磁感知機(jī)制（二）光受體磁感知機(jī)制第一章緒論光依賴的磁感知機(jī)制經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段。首先是“自由基對(duì)反應(yīng)”的磁感知模型，如圖21。在“自由基對(duì)偶聯(lián)下的單-三重激發(fā)態(tài)互轉(zhuǎn)”磁感知模型中，單-三重激發(fā)態(tài)間的相互轉(zhuǎn)化是核心，因?yàn)榇艌?chǎng)可以通過影響電子偶聯(lián)之間的能量而影響兩者轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)，使得不同磁場(chǎng)條件下生成的單-三重激發(fā)態(tài)具有不同的平衡比。由于動(dòng)物視網(wǎng)膜上的隱花色素（Cry）具有受光激發(fā)產(chǎn)生自由基對(duì)的重要性質(zhì)，被推測(cè)是可能的磁感受器。圖21光依賴的“自由基對(duì)反應(yīng)”磁感受機(jī)制第二節(jié)仿生磁感知材料一、生物磁感知機(jī)制（二）光受體磁感知機(jī)制第一章緒論“自由基對(duì)反應(yīng)”模型被提出后，研究發(fā)現(xiàn)，鳥類的感光“磁羅盤”只有能量超過一定閾值的光子才能激活視網(wǎng)膜上光依賴的磁感知分子，其在視網(wǎng)膜上呈軸向排列，使動(dòng)物“看見”磁力線，即在某一磁場(chǎng)中，假定動(dòng)物眼睛的中心軸與磁力線平行，視網(wǎng)膜中心的磁感知分子被光激活后產(chǎn)生與磁力線平行的“亮軸”磁視線；視網(wǎng)膜上、下邊緣的磁感知分子因與磁力線垂直而不能被激活，形成磁視線暗區(qū)；介于眼睛中心軸和上、下邊緣的磁感受分子，與磁力線呈多種夾角，形成磁視線灰色光軸區(qū)，如圖22，三區(qū)域綜合使動(dòng)物能“看見”磁場(chǎng)。圖22感光磁感受分子隱花色素識(shí)別磁場(chǎng)方向的機(jī)制第二節(jié)仿生磁感知材料一、生物磁感知機(jī)制（三）磁鐵礦納米顆粒感知機(jī)制第一章緒論地磁感知功能也存在于微生物的世界中。由于趨磁細(xì)菌的存在，研究人員又提出了磁感知理論中信服度較高的磁鐵礦納米顆粒假說。趨磁細(xì)菌就是具有該功能的典型水生原核生物。趨磁細(xì)菌在它們主動(dòng)游動(dòng)時(shí)，可以被動(dòng)地沿著平行于地磁場(chǎng)磁力線的方向排列，這種行為稱為趨磁性。這是由于其體內(nèi)存在著“磁小體”這種獨(dú)特的細(xì)胞器，它們可以通過專用細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)沿著細(xì)胞運(yùn)動(dòng)軸鏈狀排列，作為磁針從而使趨磁細(xì)菌具有沿著磁力線排列的能力。圖23排列成鏈的多種細(xì)菌磁小體的透射電子顯微鏡（TEM）圖像第二節(jié)仿生磁感知材料二、仿生磁感知材料（一）仿生磁感知納米材料第一章緒論趨磁細(xì)菌中的磁小體，可以簡(jiǎn)單高效地實(shí)現(xiàn)驅(qū)磁細(xì)菌的磁場(chǎng)感知和游動(dòng)方向調(diào)控。它是一種生物控制合成的鐵氧體，屬于天然的磁鐵礦晶體，是基于理想化的立方體形態(tài){100}和八面體形態(tài){111}的結(jié)合。比于一般磁性納米顆粒，具有很多優(yōu)點(diǎn)，使其在仿生生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有許多潛在的應(yīng)用價(jià)值。已有很多關(guān)于磁小體提取純化的相關(guān)研究，人們通過在磁小體上偶聯(lián)蛋白、寡肽、藥物及酶等，已經(jīng)探索了磁小體在醫(yī)學(xué)成像、藥物傳遞、腫瘤熱療、基因研究等領(lǐng)域中所能發(fā)揮的作用。圖24磁小體的多種晶體形態(tài)第二節(jié)仿生磁感知材料二、仿生磁感知材料（一）仿生磁感知納米材料第一章緒論磁小體的軟鐵磁特性是趨磁細(xì)菌能夠靈敏感知微弱地磁場(chǎng)的關(guān)鍵，而這種特性與晶體的尺寸和形貌息息相關(guān)。有研究人員在體外自組裝構(gòu)建了類似天然磁小體囊泡的納米反應(yīng)器，并引入可以調(diào)控磁性晶體生長(zhǎng)的Mms6蛋白，重構(gòu)了趨磁細(xì)菌磁小體生物礦化的微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了Fe3O4納米晶體的尺寸和晶體形狀的精確控制，成功仿生礦化合成了具有高效磁靶向及腫瘤組織穿透性的類磁小體納米材料。圖25天然磁小體與合成類磁小體對(duì)比圖。a1-a3天然磁小體的透射電子顯微鏡照片和三維形態(tài)；b1-b3合成類磁小體磁性納米晶體的透射電子顯微鏡照片和三維形態(tài)第二節(jié)仿生磁感知材料二、仿生磁感知材料（一）仿生磁感知納米材料第一章緒論與磁小體相似，鳥類光受體當(dāng)中的磁性感知物質(zhì)也可以被提取出來作為一種仿生磁性材料進(jìn)行應(yīng)用。某些候鳥的視網(wǎng)膜存在著一種桿狀蛋白質(zhì)復(fù)合體，該多聚體含有鐵硫化合物，并被推測(cè)可能起著生物指南針的作用。將該磁受體蛋白復(fù)合物進(jìn)行體外制備和純化，可以設(shè)計(jì)并制備一種基于上述MagR/Cry磁受體蛋白的仿生磁傳感器。圖26MagR/Cry磁感受器的結(jié)構(gòu)示意圖、透射電子顯微鏡照片和分子模型第二節(jié)仿生磁感知材料圖27基于磁受體蛋白的仿生磁傳感裝置二、仿生磁感知材料（二）仿生磁感知金屬材料第一章緒論在弱磁場(chǎng)下具有極高磁導(dǎo)率的坡莫合金由于其良好磁敏性，很適合在精密的交流和直流儀表、電流互感器當(dāng)中應(yīng)用。研究人員們基于生物地磁感知的磁性顆粒假說與自由基對(duì)假說的聯(lián)合機(jī)制，利用1J50坡莫合金為傳感元件制備的仿生地磁傳感器。傳感器通過檢測(cè)磁棒前方平面不同位置的磁場(chǎng)值，經(jīng)過換算求得磁針?biāo)幃?dāng)前位置地磁場(chǎng)的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)物地磁導(dǎo)航過程中磁感知過程的模擬。第二節(jié)仿生磁感知材料圖28仿生地磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖二、仿生磁感知材料（二）仿生磁感知金屬材料第一章緒論還有一類模仿動(dòng)物磁場(chǎng)感知機(jī)制的仿生磁性傳感器是基于磁致伸縮材料的。磁致伸縮效應(yīng)是指鐵磁材料受到外界磁場(chǎng)的磁化作用時(shí)，其長(zhǎng)度及體積會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。磁致伸縮材料可以建立固體力學(xué)和磁場(chǎng)之間的物理聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能、磁場(chǎng)能以及電能的相互轉(zhuǎn)化。該現(xiàn)象主要是由鐵磁性材料內(nèi)磁疇的移動(dòng)造成的，其過程示意圖如圖29所示。第二節(jié)仿生磁感知材料圖29磁致伸縮效應(yīng)磁化狀態(tài)變化過程。（a）初始狀態(tài)；（b）磁疇壁移動(dòng)；（c）磁疇移動(dòng)；（d）飽和磁致伸縮狀態(tài)二、仿生磁感知材料（二）仿生磁感知金屬材料第一章緒論磁致伸縮材料可以作為仿生磁敏物質(zhì)來模擬生物體中的微小磁疇顆粒，當(dāng)在磁場(chǎng)中被磁化時(shí)，磁致伸縮材料中微小的磁疇會(huì)共同發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，造成宏觀磁化方向上的拉伸效應(yīng)，這與生物磁感知的磁性顆粒假說中磁性物質(zhì)的作用不謀而合。有研究者設(shè)計(jì)了一種模仿鮭魚的弱磁感知機(jī)制制造了一種仿生磁傳感器。該傳感器選用Terfenol-D等效于生物體當(dāng)中的磁疇部分。使用純鎳模擬生物中的細(xì)胞膜部分，靈敏度高達(dá)10-9T。第二節(jié)仿生磁感知材料圖30鮭魚微弱磁感知生物過程圖31仿鮭魚磁傳感器結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖一、吸波理論與吸波材料分類第三節(jié)仿生磁性吸波材料第一章緒論現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展和革新促使了電磁波相關(guān)技術(shù)被廣泛應(yīng)用，軍事、工業(yè)和生活領(lǐng)域逐漸依賴于電子技術(shù)的支持。在民用領(lǐng)域，5G技術(shù)和衛(wèi)星通訊技術(shù)普遍應(yīng)用，吸波材料廣泛應(yīng)用于手機(jī)、計(jì)算機(jī)等精密電子設(shè)備內(nèi)部。在軍事領(lǐng)域，吸波材料是軍事裝備隱身的技術(shù)核心，吸波技術(shù)的發(fā)展能使得各類武器裝備的反探測(cè)、反偵察能力獲得提高，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身。圖32電磁波譜及相關(guān)應(yīng)用一、吸波理論與吸波材料分類第三節(jié)仿生磁性吸波材料第一章緒論吸波材料是一種可以最大程度使入射的電磁波進(jìn)入到內(nèi)部并能夠有效對(duì)電磁波進(jìn)行吸收和衰減并將其轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式的能量而消耗掉的功能材料。目前吸波理論主要有介電損耗模型、磁損耗模型、傳輸線模型、Salisbury結(jié)構(gòu)模型和Janumann結(jié)構(gòu)模型。圖33吸波材料吸收電磁波示意圖（一）電磁波吸收原理理想的吸波材料內(nèi)波阻抗和自由空間的波阻抗匹配良好，盡可能避免電磁波在表面被反射，從而增加進(jìn)入到材料內(nèi)部的比例。在材料中傳導(dǎo)的時(shí)間盡量長(zhǎng)，才更可能被通過各種損耗機(jī)制把波能量完全轉(zhuǎn)換成熱能、電能等無害的能量。一、吸波理論與吸波材料分類第三節(jié)仿生磁性吸波材料第一章緒論材質(zhì)吸波型吸收材料：按照不同的吸收機(jī)理和電磁波損耗機(jī)制，電磁波吸收材料大體可分為電阻型-電導(dǎo)損耗、電介質(zhì)型-介電損耗、磁介質(zhì)型-磁損耗三類。表1吸波材料的分類和特點(diǎn)類別材質(zhì)吸波機(jī)理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電介質(zhì)型石墨烯、碳納米管、二氧化錳、碳化硅、氧化鋅德拜弛豫吸收強(qiáng)度高吸收帶寬窄，部分材料如石墨烯、碳納米管等成本較高磁介質(zhì)型羰基鐵粉、鐵氧體、高熵合金、多晶鐵纖維、其他鐵磁材料磁滯損耗、自然共振、渦流損耗、磁后效損耗、疇壁共振等吸收帶寬較寬密度大，耐高溫性能差，部分材料如羰基鐵粉等耐腐蝕性能差電阻型炭黑、碳纖維電磁能轉(zhuǎn)化為熱能成本低耐久性好吸收性能較差（一）電磁波吸收原理一、吸波理論與吸波材料分類第三節(jié)仿生磁性吸波材料第一章緒論結(jié)構(gòu)吸波型吸收材料：材料型吸收劑一般以粉末形式存在于基體中，依靠材質(zhì)本身的損耗性質(zhì)對(duì)電磁波進(jìn)行吸收。此外，將材料設(shè)計(jì)成獨(dú)立單元并進(jìn)行周期排列結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生很好的吸收效果，目前主要有以下兩種：（二）電磁波吸收材料分類頻率選擇表面：是在Salisbury屏模型啟發(fā)下發(fā)展的一種電磁波調(diào)控結(jié)構(gòu)，為一定單元形狀的無源金屬薄層進(jìn)行周期排列而成的一類吸波結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的Salisbury屏模型，頻率選擇表面具有更高的設(shè)計(jì)自由度，已被廣泛用于雷達(dá)罩及其他濾波器件。超材料：指在亞波長(zhǎng)尺度上對(duì)材質(zhì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)排列，在周期小于波長(zhǎng)的情況下，可以使材料獲得很多新的性質(zhì)，如實(shí)現(xiàn)任意的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)一系列新奇的物理現(xiàn)象。超材料的設(shè)計(jì)理念在近些年的吸波材料之中有一定應(yīng)用，它們賦予了材料更多的自由度，具有調(diào)控能力強(qiáng)、寬帶吸收的特點(diǎn)。二、仿生磁性復(fù)合吸波材料第三節(jié)仿生磁性吸波材料第一章緒論將磁性材料進(jìn)行仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可獲得豐富的孔隙和界面，可進(jìn)一步提高材料的阻抗匹