在古老的阿拉伯传说中，飞毯能随主人的心意变换形态与功能，而如今，这样的“魔法”正在中国科学技术大学的实验室里成为现实。工程科学学院副教授李木军带领的研究团队，联合裴刚、张世武两位教授，成功研发出一种革命性的磁控功能表面，相关成果发表在《设备》（Device）期刊上。这项研究不仅攻克了材料学界长期存在的技术难题，更为智能材料的发展开辟了新路径。
这种被研究者称为“百变磁力魔毯”的新型材料，表面由成千上万个微型磁控单元构成。每个单元犹如一页可翻转的书页，尺寸仅有几毫米。通过巧妙的磁性设计，这些“书页”能瞬间改变朝向，进而调整整个表面的物理与化学性质，包括颜色、润湿性、反射率，甚至三维形状，均可按需调整。
过去十年间，科学家们一直在探索可编程功能表面，希望材料表面能动态调整性质，这类材料在军事伪装、建筑节能、生物医疗等领域具有巨大潜力。然而，如何在快速响应与稳定保持之间找到平衡，始终是研究者面临的根本性技术矛盾。
传统场响应材料，如磁性液体或电活性聚合物，虽能在毫秒级别内改变状态，但一旦撤去外部刺激，便会立即恢复原状，必须持续供应能量才能维持所需表面状态，既耗能又不实用。而形状记忆材料或功能涂层技术，虽能“记住”编程后的状态，但改变过程极其缓慢，形状记忆聚合物需经历加热、变形、冷却的完整周期，往往需要数分钟甚至数小时。
李木军团队的创新之处在于引入了“三极锁定”机制。每个表面单元由三个磁性部件组成：一个可翻转的磁性“片”和两个固定的磁性“条”。这三个部件之间形成稳定的磁力平衡，如同三角形是最稳定的几何结构。在静止状态下，磁性片会被锁定在两个稳定位置之一，要么完全向上，要么完全向下，无需任何外部能量即可保持。
要改变单元状态，研究团队开发了一种脉冲磁针，能产生瞬时的强磁场（超过90毫特斯拉），足以克服三极锁定的能量壁垒。关键在于，这个磁场只持续极短时间，不到100毫秒。一旦磁针移开，单元立即被锁定在新的状态，整个过程犹如用磁性“画笔”在表面上作画，所到之处，单元翻转，功能改变。
实现这一创新并非易事。研究团队进行了大量理论计算和实验优化，发现磁性条的高度是决定系统性能的关键参数。若条太矮，锁定力不足，单元易在外界干扰下意外翻转；若条太高，则需极强的磁场才能改变状态，增加编程难度。通过建立数学模型，团队计算出当磁性条的高度约为单元宽度的20%时，系统能达到最优平衡。在此配置下，单元既能稳定保持状态（能承受2毫米的弯曲变形和20%的拉伸而不改变），又能被脉冲磁针轻松编程。
材料选择同样关键。磁性片采用钕铁硼永磁材料，这种材料具有高剩磁和矫顽力，确保磁性稳定。表面涂层则根据功能需求定制，用于颜色变换的采用高对比度颜料，用于润湿性调控的采用超疏水或超亲水涂层，用于热管理的采用不同反射率的材料。所有组件都被精密地集成在一个仅有几毫米厚的柔性基底上。
研究团队通过一系列实验，充分展示了这种表面多样化的功能。在颜色调控实验中，他们在10×10的单元阵列上编程出了“USTC”字样，整个编程过程仅需几秒钟，显示的图案可稳定保持数周，且无需任何能量输入。更有趣的是，通过连续编程，表面可像显示屏一样播放简单的动画。
润湿性调控展现了更大的应用潜力。研究人员在同一表面上创建了亲水和疏水的棋盘格图案。当水滴落在表面时，会自动沿着亲水路径流动，避开疏水区域。通过动态编程路径，他们成功实现了液滴的定向输运，接触角测量显示，疏水区域的接触角达到152度，而亲水区域仅为95度，为精密流体控制提供了可能。
热管理实验揭示了另一个重要应用。在相同的红外辐射下，高反射率表面的温度比低反射率表面低10-15度。通过编程不同区域的反射率，研究团队在同一表面上创建了复杂的温度分布图案，红外相机清晰地显示出编程的图案——亮区温度低，暗区温度高，边界清晰分明，为建筑外墙的智能温控和电子设备的热管理提供了新思路。
最令人惊叹的是形状变形功能。通过改变单元的磁化方向，同一表面在外加磁场下可呈现出完全不同的三维形态。研究团队展示了四种基本变形模式：山峰状、山谷状、马鞍状和扭曲状。更复杂的是，这些变形可与其他功能同时编程，例如，一个表面可在变成山峰状的同时，峰顶呈现红色而山谷呈现蓝色。
任何实用技术都必须经受稳定性和耐久性的考验。研究团队对此进行了系统测试。在机械稳定性测试中，编程后的表面经历了1000次弯曲循环（弯曲半径2毫米）和500次拉伸循环（拉伸率20%），单元状态保持率超过99.5%。即使在剧烈振动（频率20赫兹，振幅5毫米）下持续1小时，状态改变率也低于0.1%。
环境适应性测试同样令人满意。表面在-20℃到80℃的温度范围内正常工作，在85%相对湿度环境中放置30天后性能无明显衰减。紫外线照射实验（相当于户外暴露1年）后，表面功能依然完好。疲劳测试更是证明了系统的可靠性，单个单元经过10万次状态切换后，响应时间仅从初始的80毫秒增加到85毫秒，锁定力衰减不到%。这意味着即使每天切换100次，系统也能稳定工作近3年。
这项技术的应用前景极其广阔。研究团队已在与多个领域的合作伙伴探讨具体应用。在军事领域，自适应伪装系统可根据环境实时改变表面的颜色、纹理甚至红外特征。一辆装甲车可在森林中呈现绿色迷彩，在沙漠中切换为土黄色，在雪地中变为白色，所有这些变化都可在秒级完成，极大提升了军事行动的隐蔽性。
建筑节能是另一个重要应用方向。智能建筑外墙可根据季节和天气自动调节表面性质，夏天增加反射率减少吸热，冬天降低反射率增加吸热，晴天创建遮阳图案，阴天恢复透光。初步计算显示，这种智能外墙可降低建筑能耗15%-20%。
在生物医学领域，可编程微流控芯片能动态调整流道布局，实现复杂的生化反应控制。例如，在药物筛选中，可通过编程不同的流道组合，同时进行多种药物浓度和组合的测试，大大提高筛选效率。
软体机器人是最具想象力的应用之一。通过编程不同区域的变形模式，一个平面可变成复杂的三维结构，实现爬行、游泳甚至飞行等多种运动模式。结合传感器和控制系统，这种表面可成为真正的“智能皮肤”，让机器人拥有前所未有的适应性和灵活性。
这项研究不仅是技术上的突破，更代表着智能材料发展的新范式。它证明了通过巧妙的结构设计，可在不增加系统复杂性的前提下，实现看似矛盾的性能要求。研究团队正在推进技术的产业化进程，目前的原型系统单元尺寸为毫米级，下一步计划缩小到百微米级别，实现更高的分辨率。同时，他们正在开发自动化的编程系统，让用户能够通过简单的软件界面设计和实现复杂的表面功能。
