软物质中巨磁弹性的连续纤维模型

《Matter》：A continuous fiber model for giant magnetoelasticity in soft matter

　　

进展与潜力

软磁弹材料在可变形系统中架起了力学与磁学之间的桥梁。然而，该领域缺乏一个预测性框架，将嵌入式纳米磁体的链状组织与宏观磁-机械耦合联系起来。本文建立了一种连续纤维模型，将离散的纳米磁体链转化为等效的虚拟纤维结构，在将复杂的颗粒微观结构转化为易于处理的理论表征的同时，保留了导致巨大磁弹响应的各向异性特征。已通过将剩磁场诱导的刚度增加效应与纤维增强的本构描述相结合，该模型捕捉了变形过程中的磁偶极子位移和旋转，并预测了压缩、拉伸和剪切条件下的响应。有限元模拟进一步验证了其预测能力。除了预测功能，该模型还揭示了不同的变形模式会激活不同的磁-机械路径：以平移为主的机制主导压缩和拉伸响应，而偶极子旋转和纤维拉伸则主导剪切响应。本文通过阐明链-表面距离、链间距、偶极子间距和粒子尺寸如何调节耦合强度，为自适应磁性软物质建立了一套基于微观结构的设计语言。这些设计原则使软磁弹材料的合理优化超越了试错方法，并为下一代软磁弹生物电子设备的发展提供了途径。

亮点

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连续纤维模型揭示了软材料中巨大磁弹性的起源

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识别了磁弹性的不同微观结构机制

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微观结构设计规则实现了软物质中磁-机械耦合的增强

摘要

软磁弹材料和生物电子学正成为个性化医疗和可持续能源领域变革性的新范式。然而，软材料系统中巨大磁弹性的物理起源仍未被充分理解，这限制了材料的设计与优化。本文开发了一种连续纤维模型，通过将波浪链结构映射到等效的虚拟连续纤维表征来描述软物质中的巨大磁弹性，从而将复杂的颗粒系统转化为可处理的解析描述。在该框架内，颗粒增强型磁弹材料的各向异性力学行为被重新表述为等效的横向各向同性、纤维增强型本构描述。该模型捕捉了波浪链微观结构所赋予的基本力学特征，同时能够以简洁的闭式形式分析磁弹耦合。在此基础上，本文进一步提出了基于微观结构的优化策略。总体而言，本研究为理解和优化软物质中的巨大磁弹性建立了一个定量化、可扩展的框架。

图形摘要