2026年6月29日——能够响应光、热、压力、磁场和电场等外部刺激从而改变自身物理特性的“智能”材料需求日益增长。其中一种物理特性是材料复合物的磁性状态，它取决于电子自旋态。这些复合物中的金属原子可以在光、热或机械压力作用下，在磁性构型和非磁性构型之间改变其自旋态。

在两项新研究中，印度科学研究所（IISc）固态与结构化学单元（SSCU）副教授Abhishek Mondal及其团队报告了新型化学框架——由自组装金属有机层制成的高度多孔晶体——的合成，这些框架能够实现可逆的磁性切换。这些材料可为下一代数据存储单元、量子处理器和先进工业传感器奠定基础。

第一项研究发表在《Angewandte Chemie》上，解决了材料科学领域一个长期存在的挑战：在通常用于气体或液体传感的3D蜂巢状多孔材料中实现稳健的磁性切换。当目标气体或液体进入或离开材料时，材料中的晶格会膨胀或收缩，刺激原子切换其磁性状态。然而，在传统多孔材料中，这种膨胀/收缩是有限的，因为晶格内一个原子对其邻近原子施加的推拉力会被孔隙吸收，并局限于该原子附近。这限制了这些传感器的效率，因为材料不能作为一个整体切换状态。

为了克服这一挑战，Mondal和他的团队设计了一种新型化学复合物，它不仅具有高度多孔性，还具有弹性基质。当该基质中的每个原子切换自旋态时，其对邻近原子的推动会无缝地通过弹性晶格传播，引发多米诺骨牌效应，使整个材料整齐地翻转其磁性状态——这种现象被称为“协同行为”。至关重要的是，这种磁性转变是完全可逆的，使得这些材料可以重复使用。除了机械压力，光和热也可以可逆地刺激自旋态切换。

“我们目前正在致力于放大这种复合物，以设计智能气体捕获传感器，这些传感器能够以极高的灵敏度选择性吸附CH₄、CO和CO₂等工业关键气体，”Mondal表示。

多孔蜂巢状框架的可视化、刺激诱导的时间分辨晶体颜色演变以及可逆磁性切换循环，揭示了多功能多孔材料中框架弹性、自旋态双稳态和磁响应之间的紧密耦合（图片来源：印度科学研究所磁性材料与开关实验室）

尽管此类材料对环境和生物传感非常有用，但其工作温度一直是一个主要瓶颈。“我们的目标是合成一种在接近环境温度下表现出这些转变的化学系统，”SSCU的博士生、两项研究的第一作者Krishna Kaushik解释道。“当前的材料通常仅在低于50K（-223°C）的超低温度下工作。它们具有高度挥发性，温度稍有升高就会弛豫回基态。”维持这种极冷环境需要高能耗且昂贵的冷却系统。

为了解决这一局限性，在另一项发表在《Small》上的研究中，该团队设计了一种二维六方框架，该框架能够在接近环境温度下实现光、热和溶剂诱导的磁性转变。研究人员首先合成了一种前驱体复合物，将其留在溶液中时，它会与周围的溶剂分子和大气中的水分反应，转化为一种新的、高度稳定的复合物。虽然初始网络在176K（约-97°C）的低温下切换自旋和电子态，但转化的复合物在约240K和310K（约-33°C和37°C）下显著表现出两种不同的转变，成功地将磁性切换带入了室温范围。这种切换还伴随着鲜艳的颜色变化，为人眼直接追踪提供了显著的视觉变化特征。

除了传感应用，这些可切换材料还为未来的量子技术提供了令人兴奋的机会。当暴露于光、热或压力时，这些材料可以在两种磁性状态之间可逆地变化，就像一个微小的分子开关。这种在原子水平上控制磁性状态的能力至关重要，因为它反映了量子技术背后的基本原理，即信息可以以全新的方式存储和操纵。虽然实用的量子计算机仍在开发中，但诸如此类的发现为下一代先进计算、通信和传感技术提供了重要的基础构件。

“尽管这些发现仍处于基础研究阶段，但它们应对了重要的全球性挑战，”Mondal说。“现代数据中心和电子设备消耗着巨大的能量。开发运行更高效的替代材料可以减少能源需求，并有助于实现更可持续的技术。同样，能够同时充当传感器、开关和存储元件的材料可以简化设备架构并降低制造成本。”