突破材料性能极限：多级有序结构（MOS）策略解锁物理约束

为解决现有材料因固有物理约束接近性能极限，难以满足能源和环境领域需求的问题，研究人员开展了多级有序结构（MOS）策略的研究。结果显示，该策略制备的磁性金属具备高电阻率、高热稳定性等优势，打破多项性能权衡，为材料设计提供新范式。

　　在当今科技飞速发展的时代，能源与环境危机日益严峻，对材料性能提出了前所未有的高要求。从可穿戴设备的能源供应，到航空航天领域的高效动力，再到机器人的自我能量收集，都亟需具有特殊性能的材料。然而，现有材料却面临诸多困境。以半导体热电材料为例，电子传导热量的特性使其无法同时实现高电导率和低导热率，且其方向性共价键阻碍了材料的柔韧性；陶瓷材料因缺乏位错难以展现优良的可塑性，晶界和缺陷导致的光散射与吸收也限制了其透明度；在金属磁性材料中，大量自由电子限制了高电阻率的实现，磁化态的固有亚稳定性又抑制了热稳定性 。传统的基于成分设计的策略往往只能解决单一物理约束，面对多个物理障碍时则束手无策，无法满足先进应用对材料性能的期望。

在这样的背景下，北京航空航天大学和燕山大学等研究机构的研究人员，受生物材料通过巧妙有序结构设计实现多种优异性能的启发，开展了关于多级有序结构（MOS）策略的研究。他们通过该策略制备出一种具有高热稳定性的电阻磁性金属，这一成果打破了传统认知中金属因自由电子和磁化态特性而难以实现的性能局限，在多个领域具有重要的应用潜力。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。首先是场辅助自组装（FASA）技术，通过精确控制温度场和成分波动，构建出 MOS 材料独特的结构 ；其次，利用透射电子显微镜（TEM）、X 射线衍射（XRD）等微观结构表征技术，对材料的微观结构和相组成进行分析；还使用了振动样品磁强计（VSM）、电化学工作站等，分别测量材料的磁性、电化学腐蚀抗性等性能 。

研究结果如下：

• MOS 材料的构建与微观结构分析：研究人员依据密度泛函理论（DFT）计算，选择 Ti 和 Nb 作为关键元素，结合 FASA 技术构建出 MOS 材料。TEM 和 XRD 表征显示，该材料具有明显的晶粒尺寸梯度，表面为三明治核壳结构，由 α -Fe 和 Nd₂Fe₁₄B 相组成，且在 α -Fe 与 Nd₂Fe₁₄B 晶粒间存在非晶 TiNb 层。
• MOS 材料的功能特性：MOS 材料展现出优异的综合性能。其表面电阻率高达 262.3 μΩ?cm，相较于成分材料提升显著，打破了 Vegard 混合定律，且优于同类结构材料和商业材料。在热稳定性方面，其矫顽力温度系数（β = -0.268 %/°C）比商业 NdFeB 提升超 100% 。同时，MOS 材料打破了剩磁（B_r）与矫顽力（H_c）之间的权衡关系，实现了两者的良好结合，能量密度也大幅提高。此外，该材料还具有出色的耐腐蚀性能和较高的刚度。
• MOS 材料电学和磁学性能的机制：研究表明，MOS 材料在交变磁场下温度上升最低，归因于表面三明治核壳结构的高电阻率有效抑制了涡流。通过测量不同温度和厚度下的电阻率，结合有限元模拟，发现三明治核壳结构通过丰富的异质界面增强电子散射、破坏导电路径，从而提高电阻率。在磁学性能方面，MOS 材料增强的钉扎场（H_p）源于梯度结构中不断增加的钉扎位点密度，以及三明治核壳结构中 TiNb 层作为低能陷阱的作用，这使得 MOS 材料在不牺牲磁化强度的情况下提高了矫顽力。

研究结论与讨论部分指出，该研究提出的 MOS 策略是一种通用的方法，能够同时克服材料中的多个物理约束。通过构建多级有序结构，调控粒子和功能单元的行为，为解决材料性能瓶颈问题提供了新的设计范式。这一策略不仅在磁性材料领域取得了突破，还具有拓展到热电、催化、电池和生物医学等材料领域的潜力，有望推动这些领域实现性能突破，对解决能源和环境危机等重大问题具有重要意义，为未来材料科学的发展开辟了新的道路。