用磁性材料製作指南針是我國古代的四大發明之一，而自然界的磁性材料如磁鐵礦等都是固體材料，有沒有辦法能做出液體的磁鐵呢？
日前，北京化工大學軟物質科學與工程高精尖創新中心博士研究生劉緒博及其導師美國麻薩諸塞大學安姆斯特分校聚合物科學和工程系教授Thomas Russell、美國勞倫斯伯克利國家實驗室研究員Peter Fischer等人的研究團隊在《科學》發表論文，發現了基於磁性納米粒子在水油界面自組裝方法製備的可重構鐵磁性液滴，兼具固態磁材料的磁性和液體材料的流動性，拓展了磁性材料的定義範圍。
從納米粒子到液態器件
劉緒博告訴《中國科學報》，對於可重構鐵磁性液滴，或稱可流動液態磁鐵的研究可以追溯到3年前。
那時的劉緒博作為博士研究生進入了Thomas Russell教授的課題組，開始接觸 「結構化液體」課題，研究不同類型納米材料在水油兩相界面的自組裝行為和潛在應用。考慮到前人已在光響應、酸鹼響應、電響應等不同領域耕耘多年，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行研究。
在北京化工大學積累了大量基礎數據後，劉緒博2017年前往加州大學伯克利分校交流學習，在那裡他遇到了研究磁材料的Peter Fischer。
Peter問道：「你們能否用液體列印全液態磁性器件？那將會非常有趣。」
受Peter的啟發，劉緒博的研究方向便從磁性納米粒子界面自組裝的微觀理論轉向了宏觀全液態磁性器件的開發，終於在2018年3月成功製備了具有磁極的液態器件，後對此進行了一系列相關的驗證分析，並於今年在《科學》順利發表這個有趣的研究結果。
液態磁鐵是怎樣「煉」成的
「一滴食用油放進純淨水裡，晃一晃，靜靜放著，碎掉的油滴穩定後由於界面張力作用會重新融合聚集並收縮成圓形。如果水裡放一滴洗滌劑，裡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並穩定存在。」 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，水中分散著帶負電的磁性納米粒子（Fe3O4-COOH，直徑約22納米，只有頭髮絲的萬分之一粗細），而油相溶解能夠游離到界面處質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。相對於小分子表面活性劑，這種幾十個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，飽和之後互相擠壓無法繼續在界面上自由移動，引發界面阻塞相變，一方面降低了界面張力，一方面可以支撐起一個個任意形狀的液滴穩定存在。
這些只有1微升大小的液滴，裡面擠滿了十億多個磁性納米粒子，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，也就會變成液態磁鐵。所以，通過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性。
劉緒博介紹道，與傳統固態磁鐵相比，新型液態磁鐵更加靈活多變。基於水油體系，通過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，即可以製備水性或油性液態磁鐵。
而且，由於界面磁性納米粒子的自組裝是可逆的，比如，調節水相酸鹼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，成千上萬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，原來磁性納米粒子隨機運動受到抑制，磁化之後，納米粒子的磁極可以很好地朝一個方向排列，形成宏觀穩定磁極，變成鐵磁性。
然而極端溫度對實際應用比較困難，新材料在室溫下即可轉變，更有利於開發潛在用途。
又如，通過增加磁流體的粘度，當粘度增加到像固體一樣時就變成固態磁鐵，然而這樣就失去了鐵磁液滴的可重構功能，不能有效實現可逆磁化或者消磁。
對於這種新型材料的用途，劉緒博認為，可以通過全液相3D列印和模塑成型等技術，製造磁控液態機器人、磁控液態微反應器、磁控可編程液態信息存儲器件等，並推動新型磁材料表徵技術，如極化中子磁成像、X射線相干散射顯微成像等高端技術的發展應用。
不過，劉緒博告訴《中國科學報》，目前該類型液態磁鐵也有缺點，如液滴磁場強度弱、磁極容易偏轉、界面粒子層穩定性差等，所以未來仍有諸多理論需要探索完善。對於構建鐵磁液滴的材料，他們目前只研究了四氧化三鐵，未來可能探索基於鐵、鈷、鎳等不同金屬或其氧化物的新型磁性納米材料。
DOI: https://doi.org/10.1126/science.aaw8719
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