磁铁不再一定是坚硬的固体 ， 也可以是流动的液体 。 与全液相 3D 打印相结合 ， 任意样式的柔性液态磁性器件都将可能实现 。
【流动起来的磁铁：登上《科学》的新吸引力法则】编译 | 于槐
审校 | 刘绪博
小到指南针、数据存储设备 ， 大到核磁共振仪 ， 这些改善我们生活的科技产品都依赖固态磁体 。 如果磁性器件可以用液体制造 ， 那会是怎样的呢？借由液相 3D 打印技术 ， 这个想法变成了现实 。
7 月19 日 ， 这项成果以《可重构铁磁液滴》（Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets）为题发表在《科学》杂志上 。 该研究可能会推动制造出可打印的磁性液态器件 ， 从而具有广阔的应用前景 。
领导这项工作的 Thomas Russell 教授解释说：“我们制造了一种新材料 ， 它既是液体 ， 也具有固态磁铁的特性 ， 之前从来没有人观察到这种现象 。 这为磁性软物质的研究开辟了新的领域 。 ” Russell 是伯克利实验室的访问学者 ， 也是马萨诸塞大学安姆斯特分校聚合物科学和工程系的教授 。 过去七年里 ， Russell 领导的项目一直致力于发展一类新材料——可以 3D 打印的全液态结构 。
悬浮的铁磁液滴在外部磁场作用下旋转 ， 红色染料记录了周围液体的流动轨迹 。 | 图片来源：[1]
我们知道 ， 许多材料内部具有微观磁矩 ， 在外部磁场的作用下可以指向同一个方向 。 在铁磁性材料中 ， 磁矩之间的耦合会确保在外部磁场撤去后 ， 材料仍然保持磁性 。 在顺磁性材料中 ， 一旦撤去外部磁场 ， 热涨落会迅速打破磁矩之间的耦合 ， 使得材料宏观上不再具有磁性 。
磁流体是纳米颗粒散布在液体中形成的混合物 ， 常温下由于纳米颗粒的热运动 ， 成千上万的纳米磁极很难一致排列 ， 故而磁流体呈现为顺磁性 。 在外界磁场中 ， 重力、表面张力、纳米颗粒之间磁性吸引力共同作用 ， 会在磁流体的表面创造出尖刺样的结构 。
磁流体的尖刺样结构在撤去磁场后迅速消失 。 | 图片来源：Instagram @physicsfun
北京化工大学的博士生刘绪博是这篇论文的第一作者 ， 他从 2016 年秋季进入 Russell 教授的课题组 ， 选择了具有磁响应特性的四氧化三铁纳米颗粒作为模型材料进行研究 。 后来在 2017 年前往加州大学伯克利分校交流学习期间 ， 受到研究磁材料的教授 Peter Fischer 的启发 ， 将研究方向从磁性纳米颗粒界面自组装的微观理论转向了宏观全液态磁性器件的开发 。 他好奇的问题是：“如果磁流体可以暂时具有磁性 ， 应该如何让它永久具有磁性 ， 表现得像固态磁体 ， 但仍然保持液态呢？”
挤一挤 ， 液体变磁体
Russell 和刘绪博打算尝试先前发展出的的液相 3D 打印技术来实现这个想法 。 这项技术可以在纳米颗粒与表面活性剂的帮助下 ， 在油相中打印稳定存在的水相结构 。 就像一滴油落入水中 ， 晃一晃后 ， 破碎的油滴会由于表面张力作用而重新聚集并收缩成球形；如果加入洗涤剂 ， 这些小分子表面活性剂会有效地阻止油滴聚集 ， 使许多微小的油滴得以稳定存在 。 这里所做的与此类似 ， 不过是反过来将溶解于水中的磁流体材料注入有机相 。
实验中 ， 带负电的磁性纳米颗粒（羧基化四氧化三铁磁性纳米颗粒 ， Fe3O4-COOH NPs）直径约 20 纳米 ， 分散在水相中 。 然后 ， 毫米尺寸的水相液滴被注入油相 ， 液滴中包裹着的数十亿纳米颗粒与溶解于相邻油相中带正电的表面活性剂（氨基化笼形倍半硅氧烷 ， POSS-NH2）在水油界面相互吸引 ， 原位自组装形成磁性纳米颗粒-表面活性剂 ， 吸附在水油界面 。
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