坦普爾大學(xué)機(jī)械工程系系主任、材料基因組學(xué)和量子器件實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人哈希·迪普·喬普拉與馬里蘭大學(xué)材料科學(xué)和工程系教授曼弗雷德·烏提格在21日出版的《自然》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。喬普拉說：“我們的發(fā)現(xiàn)從根本上改變了我們對(duì)自1841年以來就已有所認(rèn)識(shí)的某種特定類型的磁鐵的理解。”

19世紀(jì)40年代，英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·焦耳發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被置于磁場(chǎng)中時(shí)，鐵基磁性材料會(huì)改變它們的形狀，但體積保持不變。這種現(xiàn)象被稱為“焦耳磁致伸縮”，自發(fā)現(xiàn)至今的175年中，所有磁體都表現(xiàn)出了這一特征。

“我們發(fā)現(xiàn)了一類新的磁鐵，我們稱之為非焦耳磁致伸縮磁鐵。在磁場(chǎng)中，它們的體積出現(xiàn)了巨大變化。”查普拉說， “而且，這些非焦耳磁致伸縮磁鐵還具有以最小的熱量損失來收集或轉(zhuǎn)換能量的非凡能力。”

喬普拉和烏提格將特定的鐵基合金放在爐中加熱至大約760攝氏度，并持續(xù)30分鐘，之后迅速將其冷卻到室溫，這時(shí)材料表現(xiàn)出了非焦耳磁致伸縮行為。

他們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過熱處理的材料中包含從未見過的微小蜂窩狀結(jié)構(gòu)，這是其在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出非焦耳磁致伸縮反應(yīng)的關(guān)鍵。烏提格補(bǔ)充說： “知道這個(gè)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)將使研究人員能夠開發(fā)出具有同樣特性的新材料。”

研究人員指出，受焦耳磁致伸縮所限，常規(guī)磁鐵只能被用作在一個(gè)方向上施加力的致動(dòng)器。即便只在兩個(gè)方向上致動(dòng)，也需要大量笨重的磁鐵，這會(huì)增大體積、降低效率。而非焦耳磁致伸縮磁鐵可同時(shí)向各個(gè)方向膨脹，因此要制造緊湊型全向致動(dòng)器將很容易實(shí)現(xiàn)。

由于這些新型磁鐵也有節(jié)能的特性，它們可以用來打造熱損耗極低的新一代傳感器和致動(dòng)器，應(yīng)用于航空航天、汽車、生物醫(yī)藥、國(guó)防、空間探索和機(jī)器人等領(lǐng)域。

研究人員還表示，這種新型磁鐵不含稀土元素，因而可以替代現(xiàn)有的昂貴但機(jī)械性能低的稀土基磁致伸縮材料。