磁各向异性是决定磁响应材料磁化方向和驱动行为的重要因素，在软体机器人、智能纺织品和柔性驱动器等领域具有重要意义。传统磁性聚合物复合材料通常需要通过外加磁场诱导磁性颗粒定向排列，再利用固化或交联固定其结构。然而，这类方法对外部磁场及制备条件具有一定依赖性，同时难以充分实现磁学性能与聚合物力学性能的协同调控。

  针对上述问题，吉林大学冯守华院士/杨明教授团队受石鳖牙齿中磁铁矿与有机骨架协同组装结构的启发，提出了一种无需外部磁场预取向、通过聚合物多级结构实现磁各向异性调控的新策略。研究发现，复合纤维内部磁性纳米颗粒之间的集体偶极相互作用能够主导磁各向异性，并通过结构调节实现磁易轴方向的改变，同时赋予材料优异的力学性能和可调磁弹耦合行为。

  2026年11月5日，该研究以“Structure-Encoded Magnetic Anisotropy in Super-Tough Magnetoelastic Aramid–Silk–Magnetite Fibers”为题发表于国际期刊《Advanced Materials》。文章第一作者是吉林大学任甜甜博士。

  研究团队采用湿法纺丝技术，利用聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）与丝素蛋白（SF）之间的分子间相互作用，构筑芳纶-丝素复合水凝胶纤维，随后通过原位矿化在有机纳米纤维表面形成Fe₃O₄纳米颗粒。所得颗粒平均直径约为18 nm，沿纳米纤维分布。进一步通过控制干燥过程中的收缩率，调节纳米纤维的取向与卷曲结构，为磁各向异性调控提供结构基础。

图1. 受石鳖牙齿生物矿化启发的芳纶-丝素-磁铁矿复合纤维制备策略。

  研究发现，随着纤维收缩率由0%增加至60%，内部纳米纤维的卷曲程度逐渐增加，磁性颗粒的空间组织及偶极相互作用随之改变。纤维沿轴向与径向的磁化强度比值由1.58下降至0.95，磁化率各向异性参数由1.32变化至?0.15，实现了磁易轴由轴向向径向的转变。

  为了阐明卷曲结构调控磁各向异性的内在机制，研究人员进一步考察了纤维内部磁性纳米颗粒的空间排布及其偶极相互作用。随着卷曲程度的增加，磁性颗粒组成的链状结构逐渐发生弯曲，使局部磁矩排列方向及相邻颗粒间的相对取向发生变化。这种结构演变改变了不同磁化方向下颗粒间偶极相互作用的能量分布，从而调节体系的磁各向异性。理论计算进一步表明，颗粒间偶极相互作用所贡献的各向异性能量约为宏观形状各向异性能量的1000倍。由此可见，该体系的磁各向异性并非主要由纤维的宏观几何形状决定，而是源于内部磁性纳米颗粒的有序排布及其集体偶极相互作用。

图2. 不同收缩率复合纤维的磁学性能及磁各向异性变化。

图3. 卷曲形成对链状磁畴排列影响的示意图。

  得益于芳纶刚性骨架、丝素蛋白及Fe₃O₄纳米颗粒之间的协同作用，复合纤维表现出优异的力学性能。其中，高取向纤维的拉伸强度达到1.6 GPa，模量达到27.8 GPa；随着结构松弛程度增加，纤维韧性最高达到820 MJ·m^-3。

图4. 不同收缩率复合纤维的力学性能及其与已报道高性能纤维的对比。

  此外，拉伸变形能够引起聚合物链段及磁性纳米颗粒的协同重排，进而改变材料的磁各向异性。研究发现，低模量纤维具有更高的结构活动能力，表现出更明显的磁弹耦合响应，并且在卸载后能够恢复初始磁学状态。基于结构编码的磁各向异性，研究团队进一步构筑了磁响应驱动器件。不同结构的复合纤维能够在相同磁场条件下产生不同的磁转矩，实现差异化的旋转响应。同时，利用拉伸引起的磁各向异性变化，成功实现了机械应变控制的磁驱动ON/OFF切换，并在连续驱动循环中保持良好的重复性。

图5. 基于复合纤维磁各向异性及磁弹耦合效应的磁驱动器件与应变控制开关。

  总而言之，该研究通过仿生矿化与聚合物多级结构调控相结合，构筑了兼具优异力学性能和磁响应功能的超韧复合纤维，揭示了集体磁偶极相互作用主导磁各向异性的物理机制，并实现了结构可调的磁弹耦合及磁驱动行为。这一工作将磁各向异性调控由传统外部磁场预取向拓展至材料内部结构设计，为可编程磁响应纤维、智能纺织品及柔性驱动器等功能材料的发展提供了新的设计思路。

  论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.75589