我們生活中，許多科技產(chǎn)品都依賴著固態(tài)磁體來工作。在大家的認知中，磁體似乎一定是固體的。然而，借助液相3D打印技術，我們可以用液體來制造磁性器件。

　　2019年7月19日，《科學》雜志發(fā)表了一篇名為《可重構鐵磁液滴》的文章。該研究可能會推動制造出可打印的磁性液態(tài)器件，從而具有廣闊的應用前景。

　　許多材料內部具有微觀磁矩，在外部磁場的作用下可以指向同一個方向。在鐵磁性材料中，磁矩之間的耦合會確保在外部磁場撤去后，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。

　　磁流體是納米顆粒散布在液體中形成的混合物，常溫下由于納米顆粒的熱運動，成千上萬的納米磁極很難一致排列，故而磁流體呈現(xiàn)為順磁性。在外界磁場中，重力、表面張力、納米顆粒之間磁性吸引力共同作用，會在磁流體的表面創(chuàng)造出尖刺樣的結構。

　　研究人員采用液相3D打印技術來實現(xiàn)這個想法。一滴油落入水中，晃一晃后，破碎的油滴會由于表面張力作用而重新聚集并收縮成球形；如果加入洗滌劑，這些小分子表面活性劑會有效地阻止油滴聚集，使許多微小的油滴得以穩(wěn)定存在。這項技術與此類似，可以在納米顆粒與表面活性劑的幫助下，在油相中打印穩(wěn)定存在的水相結構，不過這里所做的是反過來將溶解于水中的磁流體材料注入有機相。

　　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，F(xiàn)e3O4-COOH NPs）直徑約20納米，分散在水相中。然后，毫米尺寸的水相液滴被注入油相，液滴中包裹著的數(shù)十億納米顆粒與溶解于相鄰油相中帶正電的表面活性劑（氨基化籠形倍半硅氧烷，POSS-NH2）在水油界面相互吸引，原位自組裝形成磁性納米顆粒-表面活性劑，吸附在水油界面。

　　隨著納米顆粒的聚集，水油界面會擠滿納米顆粒，形成一層類似固體的殼，實現(xiàn)阻塞相變。這層由“界面阻塞”效應形成的殼，可以使液體穩(wěn)定在各種非平衡形貌結構狀態(tài)，3D打印技術即可以由此制備任意形貌的液態(tài)器件。最終磁流體從順磁狀態(tài)變成鐵磁性，也即變成液態(tài)磁鐵，也由這一界面阻塞相變引起。

　　在水油界面，自組裝形成的納米顆粒-表面活性劑會擠滿整個界面。（圖片來源：勞倫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。但當他們改變線圈磁場方向的時候，出人意料的事發(fā)生了：如同彼此協(xié)調的游泳運動員，這些液滴步調一致地運動，形成優(yōu)美的漩渦，這些液滴不知怎地就變成了永磁體，在這項研究之前，大家一直都覺得永磁體只能是固體。

　　不論大小，所有磁體都有南極和北極。同極相斥，異極相吸。研究人員通過磁性測量發(fā)現(xiàn)，一旦對液滴施加磁場，所有納米顆粒的南北極都會一齊響應，無論是液滴內部的七百億個納米顆粒，還是液滴表面的十億個納米顆粒都是如此，與固態(tài)磁體毫無二致。室溫下測量液滴的磁滯回線發(fā)現(xiàn)，不同于傳統(tǒng)順磁性磁流體，這種液滴表現(xiàn)出一定強度的剩磁和矯頑力，轉變?yōu)殍F磁性。

　　這一發(fā)現(xiàn)的關鍵之處在于液滴表面擁擠的鐵氧化物納米顆粒。數(shù)十億計的納米顆粒，彼此距離只有8納米，它們相互擠壓，難以移動，在液滴表面形成了一層堅固的殼，既可以支持液滴的形狀，也可以獲得并保持磁性。

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

　　當表面擠在一起的納米顆粒被磁化，磁化的南北極取向會以某種方式傳遞到液滴內部的納米顆粒，然后整個液滴就成為了永磁體——就像固體形成的永磁體一樣。即使把液滴分得更小更細碎，小到頭發(fā)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根據(jù)周圍環(huán)境改變形狀的能力。球形液滴可以變成柱體、薄餅、一根頭發(fā)絲粗細的管子，甚至是一只章魚的形狀，而它們的磁性特點并不會因此消失。一旦液滴變形，表面積增加會形成空位，新的納米顆粒-表面活性劑瞬間就會在空位處形成并牢牢貼附。這樣當液滴想通過表面張力的收縮作用回復到原來的球形時，液滴表面的納米顆粒并不會掉落，從而可以成功維持住新增的表面積，穩(wěn)定液滴形變。這樣可以很好地支撐水相在油相里塑造成任意形狀并穩(wěn)定存在。

　　由于界面磁性納米顆粒的自組裝是可逆的，通過改變水相酸堿環(huán)境，納米顆?？梢栽诮缑嫖交蛘呓馕?，從而使得液滴在磁性模式和非磁性模式之間相互轉換，實現(xiàn)可逆磁化或消磁。在磁性模式下，外加磁場就可以遠程控制它們的運動。

　　這種新型鐵磁液體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(xù)相關研究，發(fā)展出更復雜的 3D 打印磁性液體結構，比如用液體打印的人工細胞，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(tài)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，這項工作也可能會激發(fā)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，我們有可能合成多孔的磁性材料，比如磁性海綿；我們也可以制造有彈性的鐵磁性聚合物薄膜。



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