作者:池涵 来源: 中国科学报 发布时间:2019/7/26 8:32:39
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液态磁铁还能这么玩?

 

■本报见习记者 池涵

用磁性材料制作指南针是我国古代四大发明之一。然而,自然界的磁性材料,例如磁铁矿等,都是固体材料,那么有没有办法作出液体磁铁呢?

北京化工大学软物质科学与工程高精尖创新中心博士研究生刘绪博及其导师美国马萨诸塞大学安姆斯特分校聚合物科学和工程系教授Thomas Russell、美国劳伦斯伯克利国家实验室研究员Peter Fischer等人的研究团队近日在《科学》发表论文,发现了基于磁性纳米粒子在水油界面自组装方法制备的可重构铁磁性液滴,兼具固态磁材料的磁性和液体材料的流动性,拓展了磁性材料的定义范围。

从纳米粒子到液态器件

刘绪博告诉《中国科学报》,对于可重构铁磁性液滴,或称可流动液态磁铁的研究,可以追溯到3年前。

那时的刘绪博作为博士研究生进入了Thomas Russell教授的课题组,开始接触 “结构化液体”课题,研究不同类型纳米材料在水油两相界面的自组装行为和潜在应用。考虑到前人已在光响应、酸碱响应、电响应等不同领域耕耘多年,刘绪博选择了具有磁响应特性的四氧化三铁纳米粒子为模型材料进行研究。

在北京化工大学积累了大量基础数据后,刘绪博2017年前往美国加州大学伯克利分校交流学习,在那里遇到了研究磁材料的Peter Fischer。

Fischer问道:“你们能否用液体打印全液态磁性器件?那将会非常有趣。”

受此启发,刘绪博的研究方向便从磁性纳米粒子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。2018年3月,他成功制备出具有磁极的液态器件,随后对此进行了一系列相关的验证分析,并于今年在《科学》杂志发表了该结果。

液态磁铁是怎样“炼”成的

“一滴食用油放进纯净水里,晃一晃,静静放着,碎油滴稳定后,由于界面张力作用会重新聚集融合,并收缩成圆形。如果水里放一滴洗涤剂,里面的小分子表面活性剂可以有效阻止油滴聚集,晃一晃可以变成很多微小的油滴并稳定存在。”刘绪博解释道。

这次,刘绪博等人将水性磁流体材料与油混合,水中分散着带负电的磁性纳米粒子,而油相溶解能够游离到界面处质子化带正电的聚合物,二者在水油界面相互吸引,原位形成磁性纳米粒子表面活性剂,牢牢吸附在界面,降低界面张力。相对于小分子表面活性剂,这种几十个纳米大小的活性剂可以牢牢贴附在界面上,形成二维纳米粒子层,饱和之后互相挤压无法继续在界面上自由移动,引发界面阻塞相变,一方面降低了界面张力,一方面可以支撑起一个个任意形状的液滴稳定存在。

这些只有1微升大小的液滴,里面挤满十亿多个磁性纳米粒子,一旦它们在界面处形成阻塞相变,将直接引起液滴从顺磁性转变成铁磁性,也就会变成液态磁铁。所以,通过控制纳米粒子在界面的吸附和解吸附,便可以很好地控制液滴磁极的形成和消失。

仍有诸多理论需要探索

此次发现的新型可重构铁磁性液滴,在室温条件下,兼具传统可重构磁铁的磁性和液体材料的流动性。

刘绪博介绍说,与传统固态磁铁相比,新型液态磁铁更加灵活多变,理论上既可以包裹水滴(油包水)形成水性铁磁液滴,也可以包裹油滴(水包油)形成油性铁磁液滴,即可以制备水性或油性液态磁铁。

而且,由于界面磁性纳米粒子的自组装是可逆的,比如,调节水相酸碱度就可以使纳米粒子在界面吸附或者解吸附,这样就可以灵活地实现铁磁液滴的可逆磁化或消磁。

和传统的改变磁流体磁性的方法相比,新型铁磁性液滴有诸多优势。

比如,磁流体是磁性纳米粒子和液体的混合物,常温下纳米粒子随机运动,成千上万的纳米磁极很难一致排列,液体呈顺磁性;如果温度降到零下200多度,原来磁性纳米粒子随机运动受到抑制,磁化之后,纳米粒子的磁极可以很好地朝一个方向排列,形成宏观稳定磁极。

然而,实际应用中创造极端温度条件比较困难,而新材料在室温下即可转变,更有利于开发潜在用途。

又如,通过增加磁流体的黏度,当黏度增加到像固体一样时就变成固态磁铁,然而这样就失去了铁磁液滴的可重构功能,不能有效实现可逆磁化或者消磁。

对这种新型材料的用途,刘绪博认为,可以通过全液相3D打印和模塑成型等技术,制造磁控液态机器人、磁控液态微反应器、磁控可编程液态信息存储器件等,并推动新型磁材料表征技术,如极化中子磁成像、X射线相干散射显微成像等高端技术的发展应用。

不过,刘绪博告诉《中国科学报》,目前该类型液态磁铁也有缺点,如液滴磁场强度弱、磁极容易偏转、界面粒子层稳定性差等,所以未来仍有诸多理论需要探索完善。对于构建铁磁液滴的材料,他们目前只研究了四氧化三铁,未来可能探索基于铁、钴、镍等不同金属或其氧化物的新型磁性纳米材料。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.aaw8719

《中国科学报》 (2019-07-26 第1版 要闻)
 
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