近年來，航空航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，越來越多的飛行器已進入太空探索浩茫宇宙，甚至于美國國家航天局（NASA）近期已開放國際空間站歡迎普通民眾進行太空探索和旅行。但是高昂的發(fā)射成本在一定程度上影響著航空航天事業(yè)的發(fā)展，在目前的技術(shù)下，發(fā)射1克物體的成本約為1克黃金的價值。氣凝膠作為目前已知的最輕固體材料（最低密度僅為0.16 mg/cm3），也因此受到研究者的關(guān)注。此外，氣凝膠材料還具有較好的絕熱性和抗沖擊能力。目前氣凝膠已經(jīng)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，但主要集中在絕熱材料方面，如何使這些輕質(zhì)的固體材料拓展到可操控單元領(lǐng)域正成為當(dāng)前一個重要且極具價值的研究課題。氣凝膠材料本身由于穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，使得其對常規(guī)外部激勵源如光、電、磁、熱等無法產(chǎn)生響應(yīng)，因此其在智能控制單元方面的應(yīng)用研究，長期以來進展緩慢。

為解決這一問題，研究團隊結(jié)合北航航空航天特色和課題組多年在磁學(xué)與磁性材料領(lǐng)域的研究積累，嘗試開展超輕磁體在智能控制單元方面的探索性研究，通過在氣凝膠中摻雜取向的鐵磁納米顆粒獲得了具有可編程能力的超輕氣凝膠磁性材料——即“空氣磁體”。“空氣磁體”可應(yīng)用于航空航天及智能器件領(lǐng)域，例如輕質(zhì)微型衛(wèi)星、飛行器的元器件等方面，空間站內(nèi)設(shè)備，以及宇航員之間相對進程的非接觸控制單元。發(fā)展的“空氣磁體”將會減少航天航空設(shè)備的發(fā)射成本，將對航空航天事業(yè)的進步產(chǎn)生積極影響。

研究團隊首先利用勻強磁場實現(xiàn)了前驅(qū)物溶液中鐵磁顆粒的均勻排列，然后通過氣凝膠前驅(qū)物固化形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將鐵磁顆粒緊緊束縛，最終，經(jīng)過臨界干燥獲得“空氣磁體”。該制備方法也可以擴展到其他氣凝膠和鐵磁顆粒系統(tǒng)中，同時其簡單、大尺寸的材料制備方法有利于規(guī)模化生產(chǎn)。

內(nèi)部顆粒的一致取向使得“空氣磁體”具有良好的磁各向異性。同時由于“空氣磁體”的鐵磁性來源于其內(nèi)部的鐵磁顆粒，其磁化強度的大小可以通過摻雜鐵磁顆粒的濃度進行線性調(diào)節(jié)。為了展示樣品的輕質(zhì)和鐵磁性，研究團隊利用一個直徑為2cm的環(huán)形磁鐵實現(xiàn)了磁懸浮。在獲得磁操控能力的同時，“空氣磁體”依然保持著氣凝膠良好的絕熱性和疏水性能，保證了在極端環(huán)境下的適用性。

“空氣磁體”內(nèi)部的磁疇方向是由溶液狀態(tài)時施加的外部磁場決定的，因此通過設(shè)計外部磁場，可以控制“空氣磁體”內(nèi)部的磁疇。當(dāng)施加非均勻場時，可以實現(xiàn)多疇樣品的制備。研究團隊以雙疇為例，利用兩個相反的磁場制備了具有相反磁疇的雙疇“空氣磁體”。在同一磁場下，“空氣磁體”的兩部分分別展現(xiàn)了吸引和排斥的外部磁響應(yīng)。利用雙疇氣凝膠的這一特點，研究團隊設(shè)計并展示了磁開關(guān)的功能。