Science：谁说磁体只能是固态？3D 打印的液态磁体来了！

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神奇的磁性液体材料或将推动磁性液体 3D 打印技术的发展，有望应用于柔性电子产品制造或对患病细胞进行靶向给药的人造细胞。

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微流体设备拍摄的磁体液滴   

图片来源：Xubo Liu and Tom Russell/Berkeley Lab

来源  DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory

翻译  页一

审校  严冰冰、李光昭

编辑  李光昭

曾经的发明家和如今的的科学家们都在巧妙地利用磁体的特质来改善生活：从罗盘磁针到磁性数据存储设备，再到核磁共振成像（MRI）人体扫描仪。

而这些技术都依赖于固体材料制成的磁体。那么，如果我们可以可以制作一个液态磁体呢？劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的科研团队利用改良版的 3D 打印机做到了这一点。这一发现或推动一种革新性液体打印设备的产生，并将应用于包括癌症靶向治疗的人造细胞，和可改变形态适应环境的柔性液体机器人等众多领域。该研究结果于 7 月 19 日发表在《科学》（Science）杂志上。

这项研究的领导者汤姆·拉塞尔（Tom Russell），是马萨诸塞大学阿默斯特分校（University of Massachusetts, Amherst）聚合物科学与工程学教授，也是伯克利实验室的客座教授。他表示：“我们已经制造出一种兼具液态特征和磁性性能的新材料，这项发现史无前例，它为软磁性物质科学的新领域打开了大门。”

意外之喜：获得液态磁体

在过去七年的时间里，拉塞尔在伯克利实验室材料科学分部，负责领导研究“面向结构化液体的自适应界面组件”（Adaptive Interfacial Assemblies Towards Structuring Liquids）项目，致力于开发一种可用于 3D 打印的全液体结构新型材料。

某天，拉塞尔和该研究第一作者刘绪博（Xubo Liu）提出了在铁磁流体中形成液体结构的设想。铁磁流体是一种氧化铁颗粒溶液，当且仅当外部磁场存在时，铁磁流体才会具有强磁性。拉塞尔说：“我们想知道，铁磁流体既然可以暂时获得磁性，那么如何才能具有永久磁性，并在拥有固态磁体特性的同时仍保持液体形态呢？”

为了回答这个问题，拉塞尔和当时的伯克利实验室材料科学分部的研究生研究员、北京化工大学的博士生刘绪博使用了一种 3D 打印技术，利用铁磁流体打印出了粒径 1 毫米的液滴，而铁磁流体中含有粒直径仅 20 纳米、相当于抗体蛋白大小的氧化铁颗粒。这一 3D 技术由他二人与前博士后研究员乔·佛斯（Joe Forth）在伯克利实验室材料科学分部共同开发完成。

该论文的共同作者保罗·阿什比（Paul Ashby）和布雷特·赫尔姆斯（Brett Helms）在伯克利分子工厂（Molecular Foundry）实验室，利用表面化学和精妙的原子力显微镜技术，揭示了液滴内部的结构——纳米颗粒会通过“界面干扰”现象，紧密排列在液滴表面，最终在两滴液体的交界处形成类似固体的外壳。“类似于拥挤的小房间里不断挤出的人墙，”拉塞尔说道。

为了使液滴具有磁性，科学家们把磁性线圈放入磁流体溶液中，置于液滴旁边。不出所料，磁性线圈将氧化铁纳米颗粒拉向靠近线圈的方向。

但当线圈被移走时，一件意料之外的事情发生了。

这些液滴相互吸引，宛如一组花样游泳运动员，以完美的一致性动作，形成一个优雅的漩涡。刘绪博说：“仿佛是舞蹈的小液滴。”

于是这些液滴通过某种方式获得了永久磁性。拉塞尔说道，“真是难以置信，在此研究之前，人们一直认为永磁体只能由固体制成。”

测来测去，它就是磁体

无论体积大小，所有磁铁都拥有北极和南极。异名磁极相吸，同名磁极相斥。

通过磁力测量，科学家们发现，当外部磁场存在时，从液滴内部悬浮的七百亿个氧化铁纳米颗粒，到液滴表面的十亿个纳米颗粒，所有纳米颗粒的南北两极会同时响应，恰似一块固体磁铁。

拉塞尔和刘绪博解释说，这一发现的关键在于，位于液滴表面的氧化铁纳米颗粒紧紧挨在一起。十亿个纳米颗粒，两两间距离仅 8 纳米，在液滴周围形成了一个固体表面。当液滴表面的纳米颗粒被磁化后，它们将磁性方向转移到了液滴内部的纳米颗粒上，于是整个液滴获得了永久磁性，和固体磁体一样。

拉塞尔补充道，研究人员还发现，即使把这种液滴分割到更小、更薄，哪怕分割到头发丝粗细的尺寸，液滴的磁性依然可以保留。

拉塞尔指出，在磁性液滴众多令人惊艳的特性中，更为突出的是它们能改变形状适应周围的环境：从球体变成圆柱体，再变成煎饼般的薄片，或发丝般的细管，甚至是章鱼的形状。并且在一系列的形变过程中都能保持磁性。

拉塞尔补充说，这种液滴还可以在磁性模式和非磁性模式之间切换。当磁性模式被打开时，可通过外部磁铁遥控它们的运动。

刘绪博和拉塞尔计划在伯克利实验室和其它国家实验室继续这项研究，开发更复杂的 3D 打印磁性液体结构，比如液体打印的人工细胞，或者微型机器人，应用于对病变细胞的无创靶向药物治疗。

刘绪博说：“由一次好奇的观察开启了一个全新的领域。这是每一个青年研究者的梦想。而我很幸运可以与一群了不起的科学家合作，在伯克利实验室的支持和世界级顶尖设备的辅助下，让梦想照进现实。”

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论文信息

【标题】Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets

【作者】Xubo Liu et al.

【时间】19 July 2019

【期刊】Science

【DOI】10.1126/science.aaw8719

【链接】 https://science.sciencemag.org/content/365/6450/264 

【摘要】 Solid ferromagnetic materials are rigid in shape and cannot be reconfigured. Ferrofluids, although reconfigurable, are paramagnetic at room temperature and lose their magnetization when the applied magnetic field is removed. Here, we show a reversible paramagnetic-to-ferromagnetic transformation of ferrofluid droplets by the jamming of a monolayer of magnetic nanoparticles assembled at the water-oil interface. These ferromagnetic liquid droplets exhibit a finite coercivity and remanent magnetization. They can be easily reconfigured into different shapes while preserving the magnetic properties of solid ferromagnets with classic north-south dipole interactions. Their translational and rotational motions can be actuated remotely and precisely by an external magnetic field, inspiring studies on active matter, energy-dissipative assemblies, and programmable liquid constructs.

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