固態(tài)鐵磁材料形狀固定，無法重構(gòu)；磁流體雖可重構(gòu)，但室溫下呈順磁性且移除外加磁場(chǎng)后磁性消失。本研究將組裝在水油界面的單層磁性納米顆粒進(jìn)行阻塞相變，形成磁流體可逆的順磁性到鐵磁性轉(zhuǎn)變。該鐵磁液滴表現(xiàn)出有限的剩磁和矯頑力，易重構(gòu)并保持固體鐵磁體的磁屬性。該成果有助于推動(dòng)活性物質(zhì)、能量耗散組裝和可編程液態(tài)結(jié)構(gòu)的研發(fā)。

曾經(jīng)的發(fā)明家和如今的的科學(xué)家們都在巧妙地利用磁體的特質(zhì)來改善生活：從羅盤磁針到磁性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，再到核磁共振成像（MRI）人體掃描儀。

而這些技術(shù)都依賴于固體材料制成的磁體。那么，如果我們可以可以制作一個(gè)液態(tài)磁體呢？勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的科研團(tuán)隊(duì)利用改良版的 3D 打印機(jī)做到了這一點(diǎn)。這一發(fā)現(xiàn)或推動(dòng)一種革新性液體打印設(shè)備的產(chǎn)生，并將應(yīng)用于包括癌癥靶向治療的人造細(xì)胞，和可改變形態(tài)適應(yīng)環(huán)境的柔性液體機(jī)器人等眾多領(lǐng)域。該研究結(jié)果于 7 月 19 日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。

這項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)者湯姆·拉塞爾（Tom Russell），是馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校（University of Massachusetts, Amherst）聚合物科學(xué)與工程學(xué)教授，也是伯克利實(shí)驗(yàn)室的客座教授。他表示：“我們已經(jīng)制造出一種兼具液態(tài)特征和磁性性能的新材料，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)史無前例，它為軟磁性物質(zhì)科學(xué)的新領(lǐng)域打開了大門。”

意外之喜：獲得液態(tài)磁體

在過去七年的時(shí)間里，拉塞爾在伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)分部，負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)研究“面向結(jié)構(gòu)化液體的自適應(yīng)界面組件”（Adaptive Interfacial Assemblies Towards Structuring Liquids）項(xiàng)目，致力于開發(fā)一種可用于 3D 打印的全液體結(jié)構(gòu)新型材料。

某天，拉塞爾和該研究*作者劉緒博（Xubo Liu）提出了在鐵磁流體中形成液體結(jié)構(gòu)的設(shè)想。鐵磁流體是一種氧化鐵顆粒溶液，當(dāng)且僅當(dāng)外部磁場(chǎng)存在時(shí)，鐵磁流體才會(huì)具有強(qiáng)磁性。拉塞爾說：“我們想知道，鐵磁流體既然可以暫時(shí)獲得磁性，那么如何才能具有*磁性，并在擁有固態(tài)磁體特性的同時(shí)仍保持液體形態(tài)呢？”

為了回答這個(gè)問題，拉塞爾和當(dāng)時(shí)的伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)分部的研究生研究員、北京化工大學(xué)的博士生劉緒博使用了一種 3D 打印技術(shù)，利用鐵磁流體打印出了粒徑 1 毫米的液滴，而鐵磁流體中含有粒直徑僅 20 納米、相當(dāng)于抗體蛋白大小的氧化鐵顆粒。這一 3D 技術(shù)由他二人與前博士后研究員喬·佛斯（Joe Forth）在伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)分部共同開發(fā)完成。

該論文的共同作者保羅·阿什比（Paul Ashby）和布雷特·赫爾姆斯（Brett Helms）在伯克利分子工廠（Molecular Foundry）實(shí)驗(yàn)室，利用表面化學(xué)和精妙的原子力顯微鏡技術(shù)，揭示了液滴內(nèi)部的結(jié)構(gòu)——納米顆粒會(huì)通過“界面干擾”現(xiàn)象，緊密排列在液滴表面，*終在兩滴液體的交界處形成類似固體的外殼�！邦愃朴趽頂D的小房間里不斷擠出的人墻，”拉塞爾說道。

為了使液滴具有磁性，科學(xué)家們把磁性線圈放入磁流體溶液中，置于液滴旁邊。不出所料，磁性線圈將氧化鐵納米顆粒拉向靠近線圈的方向。

但當(dāng)線圈被移走時(shí)，一件意料之外的事情發(fā)生了。

這些液滴相互吸引，宛如一組花樣游泳運(yùn)動(dòng)員，以*的一致性動(dòng)作，形成一個(gè)優(yōu)雅的漩渦。劉緒博說：“仿佛是舞蹈的小液滴�！�

于是這些液滴通過某種方式獲得了*磁性。拉塞爾說道，“真是難以置信，在此研究之前，人們一直認(rèn)為永磁體只能由固體制成�！�

測(cè)來測(cè)去，它就是磁體

無論體積大小，所有磁鐵都擁有北極和南極。異名磁極相吸，同名磁極相斥。

通過磁力測(cè)量，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外部磁場(chǎng)存在時(shí)，從液滴內(nèi)部懸浮的七百億個(gè)氧化鐵納米顆粒，到液滴表面的十億個(gè)納米顆粒，所有納米顆粒的南北兩極會(huì)同時(shí)響應(yīng)，恰似一塊固體磁鐵。

拉塞爾和劉緒博解釋說，這一發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵在于，位于液滴表面的氧化鐵納米顆粒緊緊挨在一起。十億個(gè)納米顆粒，兩兩間距離僅 8 納米，在液滴周圍形成了一個(gè)固體表面。當(dāng)液滴表面的納米顆粒被磁化后，它們將磁性方向轉(zhuǎn)移到了液滴內(nèi)部的納米顆粒上，于是整個(gè)液滴獲得了*磁性，和固體磁體一樣。

拉塞爾補(bǔ)充道，研究人員還發(fā)現(xiàn)，即使把這種液滴分割到更小、更薄，哪怕分割到頭發(fā)絲粗細(xì)的尺寸，液滴的磁性依然可以保留。

拉塞爾指出，在磁性液滴眾多令人驚艷的特性中，更為突出的是它們能改變形狀適應(yīng)周圍的環(huán)境：從球體變成圓柱體，再變成煎餅般的薄片，或發(fā)絲般的細(xì)管，甚至是章魚的形狀。并且在一系列的形變過程中都能保持磁性。

拉塞爾補(bǔ)充說，這種液滴還可以在磁性模式和非磁性模式之間切換。當(dāng)磁性模式被打開時(shí)，可通過外部磁鐵遙控它們的運(yùn)動(dòng)。

劉緒博和拉塞爾計(jì)劃在伯克利實(shí)驗(yàn)室和其它國(guó)家實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)這項(xiàng)研究，開發(fā)更復(fù)雜的 3D 打印磁性液體結(jié)構(gòu)，比如液體打印的人工細(xì)胞，或者微型機(jī)器人，應(yīng)用于對(duì)病變細(xì)胞的無創(chuàng)靶向藥物治療。

劉緒博說：“由一次好奇的觀察開啟了一個(gè)全新的領(lǐng)域。這是每一個(gè)青年研究者的夢(mèng)想。而我很幸運(yùn)可以與一群了不起的科學(xué)家合作，在伯克利實(shí)驗(yàn)室的支持和**設(shè)備的輔助下，讓夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)�！�

相關(guān)新聞