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(méi)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(shí)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(tài)磁材料的磁性和液體材料的流動(dòng)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》，對于可重構鐵磁性液滴，或稱(chēng)可流動(dòng)液態(tài)磁鐵的研究可以追溯到3年前。
那時(shí)的劉緒博作為博士研究生進(jìn)入了Thomas Russell教授的課題組，開(kāi)始接觸 “結構化液體”課題，研究不同類(lèi)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(lǐng)域耕耘多年，為拓展磁響應理論，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(jìn)行研究。
在北京化工大學(xué)積累了大量基礎數據后，劉緒博2017年前往加州大學(xué)伯克利分校交流學(xué)習，在那里他遇到了研究磁材料的Peter Fischer。
Peter問(wèn)道：“你們能否用液體打印全液態(tài)磁性器件？那將會(huì )非常有趣?！?/font>
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(guān)理論轉向了宏觀(guān)全液態(tài)磁性器件的開(kāi)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(jìn)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(gè)有趣的研究結果。
液態(tài)磁鐵是怎樣“煉”成的
“一滴食用油放進(jìn)純凈水里，晃一晃，靜靜放著(zhù)，碎掉的油滴穩定后由于界面張力作用會(huì )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(zhù)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(wàn)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(gè)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(wú)法繼續在界面上自由移動(dòng)，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(gè)個(gè)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(mǎn)了十億多個(gè)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(huì )變成液態(tài)磁鐵。所以，通過(guò)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(dòng)性。
劉緒博介紹道，與傳統固態(tài)磁鐵相比，新型液態(tài)磁鐵更加靈活多變?；谒腕w系，通過(guò)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，調節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(shí)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(dòng)，成千上萬(wàn)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(lái)磁性納米粒子隨機運動(dòng)受到抑制，磁化之后，納米粒子的磁極可以很好地朝一個(gè)方向排列，形成宏觀(guān)穩定磁極，變成鐵磁性。
然而極端溫度對實(shí)際應用比較困難，新材料在室溫下即可轉變，更有利于開(kāi)發(fā)潛在用途。
又如，通過(guò)增加磁流體的粘度，當粘度增加到像固體一樣時(shí)就變成固態(tài)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(shí)現可逆磁化或者消磁。
對于這種新型材料的用途，劉緒博認為，可以通過(guò)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)微反應器、磁控可編程液態(tài)信息存儲器件等，并推動(dòng)新型磁材料表征技術(shù)，如極化中子磁成像、X射線(xiàn)相干散射顯微成像等高端技術(shù)的發(fā)展應用。
不過(guò)，劉緒博告訴《中國科學(xué)報》，目前該類(lèi)型液態(tài)磁鐵也有缺點(diǎn)，如液滴磁場(chǎng)強度弱、磁極容易偏轉、界面粒子層穩定性差等，所以未來(lái)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(lái)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。
