实现纳米物体的形状记忆

变形后可以恢复其原始结构的合金具有所谓的形状记忆。这种现象和由此产生的力用于许多机械驱动系统，例如发电机或液压泵。然而，在小纳米尺度上不可能使用这种形状记忆效应。由形状记忆合金制成的物体只有在大于50纳米左右时才能变回其原始形状。

由苏黎世联邦理工学院机器人材料教授Salvador Pané和他所在团队的资深科学家Xiang-Zhong Chen领导的研究人员能够使用陶瓷材料规避这一限制。在发表在《自然通讯》杂志上的一项研究中，他们展示了对约二十纳米厚的层的形状记忆效应，该层由称为铁氧化物的材料制成。这一成就现在使得将形状记忆效应应用于微型纳米级机器成为可能。

需要特殊结构

乍一看，氧化亚铁似乎不太适合形状记忆效应：它们在体积尺度上很脆，为了产生非常薄的层，它们通常必须固定在基板上，这使得它们不灵活。为了仍然能够诱导形状记忆效应，研究人员使用了两种不同的氧化物，钛酸钡和钴铁氧体，他们暂时将薄层涂在氧化镁衬底上。两种氧化物的晶格参数彼此差异很大。研究人员将两层带从支撑基板上分离后，两种氧化物之间的张力产生了螺旋形扭曲结构。

这种由亚铁氧化物制成的独立式纳米级结构具有高弹性、弹性，并且允许灵活的运动。此外，他们显示出形状记忆效应：当研究人员对结构施加机械拉力时，它会拉伸并永久变形。随后，科学家们将来自扫描电子显微镜的电子束引导到变形的结构上;它恢复了原来的形状。因此，电能触发了形状记忆效应。大约二十纳米的层厚度是观察到这种效应的最小样品尺寸。

通常，在其他示例中，形状记忆效应是由热或磁操作触发的。“我们怀疑，它与铁氧化物中的电辐照一起工作的原因可能与氧化物内极化的方向有关，”陈说。当独立结构被拉伸时，氧化物内的极化平行于结构平面。然而，电子束导致极化垂直于结构平面对齐，导致机械应变发生变化并收缩到其原始形状。

应用范围广

这种对电能的响应更适合广泛的应用，因为在纳米尺度上不可能进行准时的温度操纵(通常用于诱导形状记忆)。一个应用示例：由于其高弹性，氧化物可以取代肌肉纤维或脊柱的一部分。

“其他应用将是新的纳米级机器人系统：在两种结构之间切换时发生的机械运动可用于驱动微型电机，”Donghoon Kim说。他是这项研究的博士生，是该研究的两位主要作者之一。“此外，我们的方法还可以促进更持久的小型机器的开发，因为这种材料不仅有弹性而且耐用，”博士后，也是主要作者Minsoo Kim说。

应用范围甚至可以扩展到柔性电子和软机器人系统。在研究人员刚刚发表在《先进材料技术》杂志上的另一项研究中，他们能够进一步开发这种独立的氧化物结构，以便可以更精确地控制和调整它们的磁电特性。除其他外，这种形状记忆氧化物可用于制造植入体内并可以刺激细胞或修复组织的纳米机器人。通过外部磁场，可以触发纳米机器人转变为不同的形状，并在人体内执行特定功能。

“此外，这些形状记忆氧化物结构的磁电特性可用于电刺激体内细胞，例如激活大脑中的神经元细胞，用于心脏治疗或加速骨骼愈合过程，”Pané说。最后，磁电形状记忆氧化物可用于纳米级器件，如微型天线或传感器。

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