Science ：3D打印的液態(tài)磁鐵還能這么玩？

來源：科學(xué)網(wǎng)

用磁性材料制作指南針是我國古代的四大發(fā)明之一，而自然界的磁性材料如磁鐵礦等都是固體材料，有沒有辦法能做出液體的磁鐵呢？

日前，北京化工大學(xué)軟物質(zhì)科學(xué)與工程高精尖創(chuàng)新中心博士研究生劉緒博及其導(dǎo)師美國馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校聚合物科學(xué)和工程系教授Thomas Russell、美國勞倫斯伯克利國家實驗室研究員Peter Fischer等人的研究團隊在《科學(xué)》發(fā)表論文，發(fā)現(xiàn)了基于磁性納米粒子在水油界面自組裝方法制備的可重構(gòu)鐵磁性液滴，兼具固態(tài)磁材料的磁性和液體材料的流動性，拓展了磁性材料的定義范圍。

從納米粒子到液態(tài)器件

劉緒博告訴《中國科學(xué)報》，對于可重構(gòu)鐵磁性液滴，或稱可流動液態(tài)磁鐵的研究可以追溯到3年前。

那時的劉緒博作為博士研究生進入了Thomas Russell教授的課題組，開始接觸 “結(jié)構(gòu)化液體”課題，研究不同類型納米材料在水油兩相界面的自組裝行為和潛在應(yīng)用�？紤]到前人已在光響應(yīng)、酸堿響應(yīng)、電響應(yīng)等不同領(lǐng)域耕耘多年，為拓展磁響應(yīng)理論，劉緒博選擇了具有磁響應(yīng)特性的四氧化三鐵納米粒子為模型材料進行研究。

在北京化工大學(xué)積累了大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，劉緒博2017年前往加州大學(xué)伯克利分校交流學(xué)習(xí)，在那里他遇到了研究磁材料的Peter Fischer。

Peter問道：“你們能否用液體打印全液態(tài)磁性器件？那將會非常有趣。”

受Peter的啟發(fā)，劉緒博的研究方向便從磁性納米粒子界面自組裝的微觀理論轉(zhuǎn)向了宏觀全液態(tài)磁性器件的開發(fā)，終于在2018年3月成功制備了具有磁極的液態(tài)器件，后對此進行了一系列相關(guān)的驗證分析，并于今年在《科學(xué)》順利發(fā)表這個有趣的研究結(jié)果。

液態(tài)磁鐵是怎樣“煉”成的

“一滴食用油放進純凈水里，晃一晃，靜靜放著，碎掉的油滴穩(wěn)定后由于界面張力作用會重新融合聚集并收縮成圓形。如果水里放一滴洗滌劑，里面的小分子表面活性劑，可以有效阻止油滴聚集，晃一晃可以變成很多微小的油滴并穩(wěn)定存在�！� 劉緒博解釋道。

這次，劉緒博等人將水性磁流體材料與有機油相混合，水中分散著帶負電的磁性納米粒子（Fe3O4-COOH，直徑約22納米，只有頭發(fā)絲的萬分之一粗細），而油相溶解能夠游離到界面處質(zhì)子化帶上正電的聚合物（POSS-NH2），二者在水油界面相互吸引，原位形成磁性納米粒子表面活性劑，牢牢吸附在界面，降低界面張力。相對于小分子表面活性劑，這種幾十個納米大小的活性劑可以牢牢貼附在界面上，形成二維納米粒子層，飽和之后互相擠壓無法繼續(xù)在界面上自由移動，引發(fā)界面阻塞相變，一方面降低了界面張力，一方面可以支撐起一個個任意形狀的液滴穩(wěn)定存在。

這些只有1微升大小的液滴，里面擠滿了十億多個磁性納米粒子，一旦它們在界面處形成阻塞相變，將直接引起液滴從順磁性轉(zhuǎn)變成鐵磁性，也就會變成液態(tài)磁鐵。所以，通過控制納米粒子在界面的吸附和解吸附，便可以很好地控制液滴磁極的形成和消失。

仍有諸多理論需要探索

此次發(fā)現(xiàn)的新型可重構(gòu)鐵磁性液滴，在室溫條件下，兼具傳統(tǒng)可重構(gòu)磁鐵的磁性和液體材料的流動性。

劉緒博介紹道，與傳統(tǒng)固態(tài)磁鐵相比，新型液態(tài)磁鐵更加靈活多變�；�于水油體系，通過控制磁性納米粒子在界面自組裝形成飽和納米粒子層，理論上既可以包裹水滴（油包水）形成水性鐵磁液滴，也可以包裹油滴（水包油）形成油性鐵磁液滴，即可以制備水性或油性液態(tài)磁鐵。

而且，由于界面磁性納米粒子的自組裝是可逆的，比如，調(diào)節(jié)水相酸堿度就可以使得納米粒子在界面吸附或者解吸附，這樣就可以靈活地實現(xiàn)鐵磁液滴的可逆磁化或消磁。

和傳統(tǒng)的改變磁流體磁性的方法相比，新型鐵磁性液滴也有諸多優(yōu)勢。

比如，磁流體是磁性納米粒子和液體的混合物，常溫下納米粒子隨機運動，成千上萬的納米磁極很難一致排列，液體呈順磁性；如果溫度降到零下200多度，原來磁性納米粒子隨機運動受到抑制，磁化之后，納米粒子的磁極可以很好地朝一個方向排列，形成宏觀穩(wěn)定磁極，變成鐵磁性。

然而極端溫度對實際應(yīng)用比較困難，新材料在室溫下即可轉(zhuǎn)變，更有利于開發(fā)潛在用途。

又如，通過增加磁流體的粘度，當(dāng)粘度增加到像固體一樣時就變成固態(tài)磁鐵，然而這樣就失去了鐵磁液滴的可重構(gòu)功能，不能有效實現(xiàn)可逆磁化或者消磁。

對于這種新型材料的用途，劉緒博認為，可以通過全液相3D打印和模塑成型等技術(shù)，制造磁控液態(tài)機器人、磁控液態(tài)微反應(yīng)器、磁控可編程液態(tài)信息存儲器件等，并推動新型磁材料表征技術(shù)，如極化中子磁成像、X射線相干散射顯微成像等高端技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。

不過，劉緒博告訴《中國科學(xué)報》，目前該類型液態(tài)磁鐵也有缺點，如液滴磁場強度弱、磁極容易偏轉(zhuǎn)、界面粒子層穩(wěn)定性差等，所以未來仍有諸多理論需要探索完善。對于構(gòu)建鐵磁液滴的材料，他們目前只研究了四氧化三鐵，未來可能探索基于鐵、鈷、鎳等不同金屬或其氧化物的新型磁性納米材料。