我們(men) 生活中，許多科技產(chan) 品都依賴著固態磁體(ti) 來工作。在大家的認知中，磁體(ti) 似乎一定是固體(ti) 的。然而，借助液相3D打印技術，我們(men) 可以用液體(ti) 來製造磁性器件。

　　2019年7月19日，《科學》雜誌發表了一篇名為(wei) 《可重構鐵磁液滴》的文章。該研究可能會(hui) 推動製造出可打印的磁性液態器件，從(cong) 而具有廣闊的應用前景。

　　許多材料內(nei) 部具有微觀磁矩，在外部磁場的作用下可以指向同一個(ge) 方向。在鐵磁性材料中，磁矩之間的耦合會(hui) 確保在外部磁場撤去後，材料仍然保持磁性。在順磁性材料中，一旦撤去外部磁場，熱漲落會(hui) 迅速打破磁矩之間的耦合，使得材料宏觀上不再具有磁性。

　　磁流體(ti) 是納米顆粒散布在液體(ti) 中形成的混合物，常溫下由於(yu) 納米顆粒的熱運動，成千上萬(wan) 的納米磁極很難一致排列，故而磁流體(ti) 呈現為(wei) 順磁性。在外界磁場中，重力、表麵張力、納米顆粒之間磁性吸引力共同作用，會(hui) 在磁流體(ti) 的表麵創造出尖刺樣的結構。

　　研究人員采用液相3D打印技術來實現這個(ge) 想法。一滴油落入水中，晃一晃後，破碎的油滴會(hui) 由於(yu) 表麵張力作用而重新聚集並收縮成球形；如果加入洗滌劑，這些小分子表麵活性劑會(hui) 有效地阻止油滴聚集，使許多微小的油滴得以穩定存在。這項技術與(yu) 此類似，可以在納米顆粒與(yu) 表麵活性劑的幫助下，在油相中打印穩定存在的水相結構，不過這裏所做的是反過來將溶解於(yu) 水中的磁流體(ti) 材料注入有機相。

　　實驗中，帶負電的磁性納米顆粒（羧基化四氧化三鐵磁性納米顆粒，Fe3O4-COOH NPs）直徑約20納米，分散在水相中。然後，毫米尺寸的水相液滴被注入油相，液滴中包裹著的數十億(yi) 納米顆粒與(yu) 溶解於(yu) 相鄰油相中帶正電的表麵活性劑（氨基化籠形倍半矽氧烷，POSS-NH2）在水油界麵相互吸引，原位自組裝形成磁性納米顆粒-表麵活性劑，吸附在水油界麵。

　　隨著納米顆粒的聚集，水油界麵會(hui) 擠滿納米顆粒，形成一層類似固體(ti) 的殼，實現阻塞相變。這層由“界麵阻塞”效應形成的殼，可以使液體(ti) 穩定在各種非平衡形貌結構狀態，3D打印技術即可以由此製備任意形貌的液態器件。最終磁流體(ti) 從(cong) 順磁狀態變成鐵磁性，也即變成液態磁鐵，也由這一界麵阻塞相變引起。

　　在水油界麵，自組裝形成的納米顆粒-表麵活性劑會(hui) 擠滿整個(ge) 界麵。（圖片來源：勞倫(lun) 斯伯克利國家實驗室，伯克利）

　　研究人員將打印出的液滴放在電磁線圈旁邊，以使其具有磁性。不出所料，線圈將這些鐵鐵磁液滴拉向了自己。但當他們(men) 改變線圈磁場方向的時候，出人意料的事發生了：如同彼此協調的遊泳運動員，這些液滴步調一致地運動，形成優(you) 美的漩渦，這些液滴不知怎地就變成了永磁體(ti) ，在這項研究之前，大家一直都覺得永磁體(ti) 隻能是固體(ti) 。

　　不論大小，所有磁體(ti) 都有南極和北極。同極相斥，異極相吸。研究人員通過磁性測量發現，一旦對液滴施加磁場，所有納米顆粒的南北極都會(hui) 一齊響應，無論是液滴內(nei) 部的七百億(yi) 個(ge) 納米顆粒，還是液滴表麵的十億(yi) 個(ge) 納米顆粒都是如此，與(yu) 固態磁體(ti) 毫無二致。室溫下測量液滴的磁滯回線發現，不同於(yu) 傳(chuan) 統順磁性磁流體(ti) ，這種液滴表現出一定強度的剩磁和矯頑力，轉變為(wei) 鐵磁性。

　　這一發現的關(guan) 鍵之處在於(yu) 液滴表麵擁擠的鐵氧化物納米顆粒。數十億(yi) 計的納米顆粒，彼此距離隻有8納米，它們(men) 相互擠壓，難以移動，在液滴表麵形成了一層堅固的殼，既可以支持液滴的形狀，也可以獲得並保持磁性。

　　納米顆粒緊密排列在液滴表麵，被外加磁場磁化後即可獲得磁性。即使在外力下改變形狀，磁性仍不會(hui) 消失。形狀也在外力撤去後得以保持。（圖片來源：COMPASS）

　　當表麵擠在一起的納米顆粒被磁化，磁化的南北極取向會(hui) 以某種方式傳(chuan) 遞到液滴內(nei) 部的納米顆粒，然後整個(ge) 液滴就成為(wei) 了永磁體(ti) ——就像固體(ti) 形成的永磁體(ti) 一樣。即使把液滴分得更小更細碎，小到頭發粗細一般，磁性特點依然保持不變。

　　可重構鐵磁液滴最突出的性質是它們(men) 根據周圍環境改變形狀的能力。球形液滴可以變成柱體(ti) 、薄餅、一根頭發絲(si) 粗細的管子，甚至是一隻章魚的形狀，而它們(men) 的磁性特點並不會(hui) 因此消失。一旦液滴變形，表麵積增加會(hui) 形成空位，新的納米顆粒-表麵活性劑瞬間就會(hui) 在空位處形成並牢牢貼附。這樣當液滴想通過表麵張力的收縮作用回複到原來的球形時，液滴表麵的納米顆粒並不會(hui) 掉落，從(cong) 而可以成功維持住新增的表麵積，穩定液滴形變。這樣可以很好地支撐水相在油相裏塑造成任意形狀並穩定存在。

　　由於(yu) 界麵磁性納米顆粒的自組裝是可逆的，通過改變水相酸堿環境，納米顆粒可以在界麵吸附或者解吸附，從(cong) 而使得液滴在磁性模式和非磁性模式之間相互轉換，實現可逆磁化或消磁。在磁性模式下，外加磁場就可以遠程控製它們(men) 的運動。

　　這種新型鐵磁液體(ti) 具有的諸多奇特性質，將帶來廣闊的應用前景。研究人員計劃繼續相關(guan) 研究，發展出更複雜的 3D 打印磁性液體(ti) 結構，比如用液體(ti) 打印的人工細胞，或者像小型螺旋槳那樣運動的微型機器人，用來向病變細胞進行靶向非侵入式的藥物運輸；此外，新型液態磁材料表征技術，如極化中子磁場成像等，也可以因此受到推動。

　　在工程上的應用之外，這項工作也可能會(hui) 激發材料科學領域更多的新研究，具有奇特力學和磁學性質的材料值得期待。例如，通過將磁性液滴濃縮成濃度很高的懸浮液，我們(men) 有可能合成多孔的磁性材料，比如磁性海綿；我們(men) 也可以製造有彈性的鐵磁性聚合物薄膜。



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