7月19日，《Science》在線刊登了北京化工大學(xué)軟物質(zhì)高精尖中心最新研究成果 “Reconfigurable ferromagnetic liquid droplet” ，即可重構(gòu)的鐵磁性液滴，或稱液態(tài)磁鐵。該研究發(fā)現(xiàn)一種新型磁性液體，通過控制磁性納米粒子在水油界面的自組裝，最終成功引導(dǎo)鐵磁流體從順磁性轉(zhuǎn)變成鐵磁性。通俗來講，磁鐵不再一定是堅(jiān)硬的固體，也可以是流動(dòng)的液體。
磁性材料的廣泛使用大大提升了人類的生活水平，小到家用電器如冰箱，大到航天設(shè)備如磁導(dǎo)航儀，固態(tài)磁性材料的身影無處不在。而一般液態(tài)磁性材料，如傳統(tǒng)鐵磁流體，雖具有靈活形態(tài)但本身不存在磁極，只有在外加磁場作用下被持續(xù)磁化才能表現(xiàn)出特定磁性。該研究中發(fā)現(xiàn)的鐵磁性液滴 （FLD），或稱液態(tài)磁鐵，既擁有類似固態(tài)磁鐵的磁性，又具備液體的可流動(dòng)性，二者結(jié)合形成一種全新的磁性軟物質(zhì)材料。這里，將水基磁流體材料與有機(jī)相混合，分散于水相中的羧基化四氧化三鐵磁性納米粒子（Fe3O4-COOH NPs）與溶解于相鄰油相中的氨基化籠形倍半硅氧烷（POSS-NH2）在水油界面相互作用，原位自組裝形成磁性納米粒子表面活性劑，吸附到界面處并實(shí)現(xiàn)阻塞相變，形成磁流體液滴。室溫下測量該液滴磁滯回線發(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(qiáng)度的剩磁和矯頑力，轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁性。結(jié)合最新的全液相3D打印和微流控成型技術(shù)，研究人員可在全液態(tài)條件下，制造任意形貌的磁性液態(tài)器件。此外，已成型的液體還可以通過改變液體內(nèi)酸堿環(huán)境進(jìn)行重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可逆磁化或消磁。這種新型鐵磁液滴具有諸多奇特性質(zhì)，未來有望用于磁控液態(tài)機(jī)器人、可編程液態(tài)微反應(yīng)器等領(lǐng)域，并推動(dòng)新型液態(tài)磁材料表征技術(shù)如極化中子磁場成像等向前發(fā)展。
(A) 示意圖表示水相中的磁性納米粒子與油相中的配體在水油界面自組裝形成致密的二維納米薄膜及鐵磁液滴；磁滯回線表明鐵磁流體在組裝前后發(fā)生的順磁-鐵磁轉(zhuǎn)變；(B) 水油界面發(fā)生阻塞相變的磁性納米粒子的透射電子顯微鏡照片；(C)懸浮在油相中的鐵磁液滴在外部磁場作用下旋轉(zhuǎn)，紅色染料記錄了液滴周圍液體的湍流軌跡。
北京化工大學(xué)為本文第一完成單位，其他主要合作單位包括美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）、加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）等。馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校的Thomas Russell教授為本文的通訊作者，軟物質(zhì)高精尖中心史少偉研究員和北京材料學(xué)院王東教授也參與了該項(xiàng)目。本文第一作者劉緒博是高精尖中心博士生，已在Adv. Mater., Angew. Chem.等期刊上發(fā)表論文多篇。本研究工作得到北京軟物質(zhì)科學(xué)與工程高精尖創(chuàng)新中心專項(xiàng)科研經(jīng)費(fèi)的支持。
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