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,。