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    作者:池涵 來源: 中國科學報 發布時間:2019/7/26 8:32:39
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    液態磁鐵還能這么玩?

     

    ■本報見習記者 池涵

    用磁性材料制作指南針是我國古代四大發明之一。然而,自然界的磁性材料,例如磁鐵礦等,都是固體材料,那么有沒有辦法作出液體磁鐵呢?

    北京化工大學軟物質科學與工程高精尖創新中心博士研究生劉緒博及其導師美國馬薩諸塞大學安姆斯特分校聚合物科學和工程系教授Thomas Russell、美國勞倫斯伯克利國家實驗室研究員Peter Fischer等人的研究團隊近日在《科學》發表論文,發現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鐵磁性液滴,兼具固態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。

    從納米粒子到液態器件

    劉緒博告訴《中國科學報》,對于可重構鐵磁性液滴,或稱可流動液態磁鐵的研究,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 “結構化液體”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用??紤]到前人已在光響應、酸堿響應、電響應等不同領域耕耘多年,劉緒博選擇了具有磁響應特性的四氧化三鐵納米粒子為模型材料進行研究。

    在北京化工大學積累了大量基礎數據后,劉緒博2017年前往美國加州大學伯克利分校交流學習,在那里遇到了研究磁材料的Peter Fischer。

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

    受此啟發,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向了宏觀全液態磁性器件的開發。2018年3月,他成功制備出具有磁極的液態器件,隨后對此進行了一系列相關的驗證分析,并于今年在《科學》雜志發表了該結果。

    液態磁鐵是怎樣“煉”成的

    “一滴食用油放進純凈水里,晃一晃,靜靜放著,碎油滴穩定后,由于界面張力作用會重新聚集融合,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油混合,水中分散著帶負電的磁性納米粒子,而油相溶解能夠游離到界面處質子化帶正電的聚合物,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在界面上自由移動,引發界面阻塞相變,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定存在。

    這些只有1微升大小的液滴,里面擠滿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變成鐵磁性,也就會變成液態磁鐵。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

    此次發現的新型可重構鐵磁性液滴,在室溫條件下,兼具傳統可重構磁鐵的磁性和液體材料的流動性。

    劉緒博介紹說,與傳統固態磁鐵相比,新型液態磁鐵更加靈活多變,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,調節水相酸堿度就可以使納米粒子在界面吸附或者解吸附,這樣就可以靈活地實現鐵磁液滴的可逆磁化或消磁。

    和傳統的改變磁流體磁性的方法相比,新型鐵磁性液滴有諸多優勢。

    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,形成宏觀穩定磁極。

    然而,實際應用中創造極端溫度條件比較困難,而新材料在室溫下即可轉變,更有利于開發潛在用途。

    又如,通過增加磁流體的黏度,當黏度增加到像固體一樣時就變成固態磁鐵,然而這樣就失去了鐵磁液滴的可重構功能,不能有效實現可逆磁化或者消磁。

    對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,制造磁控液態機器人、磁控液態微反應器、磁控可編程液態信息存儲器件等,并推動新型磁材料表征技術,如極化中子磁成像、X射線相干散射顯微成像等高端技術的發展應用。

    不過,劉緒博告訴《中國科學報》,目前該類型液態磁鐵也有缺點,如液滴磁場強度弱、磁極容易偏轉、界面粒子層穩定性差等,所以未來仍有諸多理論需要探索完善。對于構建鐵磁液滴的材料,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。

    相關論文信息:https://doi.org/10.1126/science.aaw8719

    《中國科學報》 (2019-07-26 第1版 要聞)
     
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