誰說磁體只能是固態(tài)？3D打印的液態(tài)磁體來了

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

微流體設備拍攝的磁體液滴 圖片來源：Xubo Liu and Tom Russell/Berkeley Lab

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

而這些技術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液態(tài)磁體呢？勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的科研團隊利用改良版的 3D 打印機做到了這一點。這一發(fā)現(xiàn)或推動一種革新性液體打印設備的產生，并將應用于包括癌癥靶向治療的人造細胞，和可改變形態(tài)適應環(huán)境的柔性液體機器人等眾多領域。該研究結果于 7 月 19 日發(fā)表在《科學》（Science）雜志上。

這項研究的領導者湯姆·拉塞爾（Tom Russell），是馬薩諸塞大學阿默斯特分校（University of Massachusetts, Amherst）聚合物科學與工程學教授，也是伯克利實驗室的客座教授。他表示：“我們已經制造出一種兼具液態(tài)特征和磁性性能的新材料，這項發(fā)現(xiàn)史無前例，它為軟磁性物質科學的新領域打開了大門�！�

意外之喜：獲得液態(tài)磁體
在過去七年的時間里，拉塞爾在伯克利實驗室材料科學分部，負責領導研究“面向結構化液體的自適應界面組件”（Adaptive Interfacial Assemblies Towards Structuring Liquids）項目，致力于開發(fā)一種可用于 3D 打印的全液體結構新型材料。

某天，拉塞爾和該研究第一作者劉緒博（Xubo Liu）提出了在鐵磁流體中形成液體結構的設想。鐵磁流體是一種氧化鐵顆粒溶液，當且僅當外部磁場存在時，鐵磁流體才會具有強磁性。拉塞爾說：“我們想知道，鐵磁流體既然可以暫時獲得磁性，那么如何才能具有永久磁性，并在擁有固態(tài)磁體特性的同時仍保持液體形態(tài)呢？”

為了回答這個問題，拉塞爾和當時的伯克利實驗室材料科學分部的研究生研究員、北京化工大學的博士生劉緒博使用了一種 3D 打印技術，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、相當于抗體蛋白大小的氧化鐵顆粒。這一 3D 技術由他二人與前博士后研究員喬·佛斯（Joe Forth）在伯克利實驗室材料科學分部共同開發(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）實驗室，利用表面化學和精妙的原子力顯微鏡技術，揭示了液滴內部的結構——納米顆粒會通過“界面干擾”現(xiàn)象，緊密排列在液滴表面，最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。

但當線圈被移走時，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動員，以完美的一致性動作，形成一個優(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永久磁性。拉塞爾說道，“真是難以置信，在此研究之前，人們一直認為永磁體只能由固體制成�！�

測來測去，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。

通過磁力測量，科學家們發(fā)現(xiàn)，當外部磁場存在時，從液滴內部懸浮的七百億個氧化鐵納米顆粒，到液滴表面的十億個納米顆粒，所有納米顆粒的南北兩極會同時響應，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。十億個納米顆粒，兩兩間距離僅 8 納米，在液滴周圍形成了一個固體表面。當液滴表面的納米顆粒被磁化后，它們將磁性方向轉移到了液滴內部的納米顆粒上，于是整個液滴獲得了永久磁性，和固體磁體一樣。

拉塞爾補充道，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。當磁性模式被打開時，可通過外部磁鐵遙控它們的運動。

劉緒博和拉塞爾計劃在伯克利實驗室和其它國家實驗室繼續(xù)這項研究，開發(fā)更復雜的 3D 打印磁性液體結構，比如液體打印的人工細胞，或者微型機器人，應用于對病變細胞的無創(chuàng)靶向藥物治療。

劉緒博說：“由一次好奇的觀察開啟了一個全新的領域。這是每一個青年研究者的夢想。而我很幸運可以與一群了不起的科學家合作，在伯克利實驗室的支持和世界級頂尖設備的輔助下，讓夢想照進現(xiàn)實。”