用磁性材料制作指南針是我國(guó)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(dǎo)師美國(guó)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(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員Peter Fischer等人的研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》發(fā)表論文，發(fā)現(xiàn)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(gòu)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(guó)科學(xué)報(bào)》，對(duì)于可重構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)用。考慮到前人已在光響應(yīng)、酸堿響應(yīng)、電響應(yīng)等不同領(lǐng)域耕耘多年，為拓展磁響應(yīng)理論，劉緒博選擇了具有磁響應(yīng)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(chǔ)數(shù)據(jù)后，劉緒博2017年前往加州大學(xué)伯克利分校交流學(xué)習(xí)，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�！�

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(zhuǎn)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(duì)此進(jìn)行了一系列相關(guān)的驗(yàn)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(jié)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，碎掉的油滴穩(wěn)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(wěn)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(jī)油相混合，水中分散著帶負(fù)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(xì)），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(duì)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(xù)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(wěn)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?cè)诮缑嫣幮纬勺枞�相變，將直接引起液滴從順磁性轉(zhuǎn)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(xiàn)的新型可重構(gòu)鐵磁性液滴，在室溫條件下，兼具傳統(tǒng)可重構(gòu)磁鐵的磁性和液體材料的流動(dòng)性。

劉緒博介紹道，與傳統(tǒng)固態(tài)磁鐵相比，新型液態(tài)磁鐵更加靈活多變。基于水油體系，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(diào)節(jié)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(xiàn)鐵磁液滴的可逆磁化或消磁。

和傳統(tǒng)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(shì)。

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(jī)運(yùn)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(jī)運(yùn)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(wěn)定磁極，變成鐵磁性。

然而極端溫度對(duì)實(shí)際應(yīng)用比較困難，新材料在室溫下即可轉(zhuǎn)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(dāng)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(gòu)功能，不能有效實(shí)現(xiàn)可逆磁化或者消磁。

對(duì)于這種新型材料的用途，劉緒博認(rèn)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(jī)器人、磁控液態(tài)微反應(yīng)器、磁控可編程液態(tài)信息存儲(chǔ)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(yīng)用。

不過(guò)，劉緒博告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，目前該類(lèi)型液態(tài)磁鐵也有缺點(diǎn)，如液滴磁場(chǎng)強(qiáng)度弱、磁極容易偏轉(zhuǎn)、界面粒子層穩(wěn)定性差等，所以未來(lái)仍有諸多理論需要探索完善。對(duì)于構(gòu)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。