3D打印的液態磁鐵還能這麼玩？

2026-04-16 04:19:30

　　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？

　　riqian，beijinghuagongdaxueruanwuzhikexueyugongchenggaojingjianchuangxinzhongxinboshiyanjiushengliuxubojiqidaoshimeiguomasazhusaidaxueanmusitefenxiaojuhewukexuehegongchengxijiaoshouThomas 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fa表biao論lun文wen，發fa現xian了le基ji於yu磁ci性xing納na米mi粒li子zi在zai水shui油you界jie麵mian自zi組zu裝zhuang方fang法fa製zhi備bei的de可ke重zhong構gou鐵tie磁ci性xing液ye滴di，兼jian具ju固gu態tai磁ci材cai料liao的de磁ci性xing和he液ye體ti材cai料liao的de流liu動dong性xing，拓tuo展zhan了le磁ci性xing材cai料liao的de定ding義yi範fan圍wei。

　　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麵的自組裝行為和潛在應用。考慮到前人已在光響應、酸堿響應、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，在那裏他遇到了研究磁材料的Peter Fischer。

　　Peter問道：“你們能否用液體打印全液態磁性器件？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麵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，後對此進行了一係列相關的驗證分析，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yi滴di食shi用yong油you放fang進jin純chun淨jing水shui裏li，晃huang一yi晃huang，靜jing靜jing放fang著zhe，碎sui掉diao的de油you滴di穩wen定ding後hou由you於yu界jie麵mian張zhang力li作zuo用yong會hui重zhong新xin融rong合he聚ju集ji並bing收shou縮suo成cheng圓yuan形xing。如ru果guo水shui裏li放fang一yi滴di洗xi滌di劑ji，裏li麵mian的de小xiao分fen子zi表biao麵mian活huo性xing劑ji，可ke以yi有you效xiao阻zu止zhi油you滴di聚ju集ji，晃huang一yi晃huang可ke以yi變bian成cheng很hen多duo微wei小xiao的de油you滴di並bing穩wen定ding存cun在zai。” 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，隻有頭發絲的萬分之一粗細），而油相溶解能夠遊離到界麵處質子化帶上正電的聚合物（POSS-NH2），二er者zhe在zai水shui油you界jie麵mian相xiang互hu吸xi引yin，原yuan位wei形xing成cheng磁ci性xing納na米mi粒li子zi表biao麵mian活huo性xing劑ji，牢lao牢lao吸xi附fu在zai界jie麵mian，降jiang低di界jie麵mian張zhang力li。相xiang對dui於yu小xiao分fen子zi表biao麵mian活huo性xing劑ji，這zhe種zhong幾ji十shi個ge納na米mi大da小xiao的de活huo性xing劑ji可ke以yi牢lao牢lao貼tie附fu在zai界jie麵mian上shang，形xing成cheng二er維wei納na米mi粒li子zi層ceng，飽bao和he之zhi後hou互hu相xiang擠ji壓ya無wu法fa繼ji續xu在zai界jie麵mian上shang自zi由you移yi動dong，引yin發fa界jie麵mian阻zu塞sai相xiang變bian，一yi方fang麵mian降jiang低di了le界jie麵mian張zhang力li，一yi方fang麵mian可ke以yi支zhi撐cheng起qi一yi個ge個ge任ren意yi形xing狀zhuang的de液ye滴di穩wen定ding存cun在zai。

　　這些隻有1微(wei)升(sheng)大(da)小(xiao)的(de)液(ye)滴(di)，裏(li)麵(mian)擠(ji)滿(man)了(le)十(shi)億(yi)多(duo)個(ge)磁(ci)性(xing)納(na)米(mi)粒(li)子(zi)，一(yi)旦(dan)它(ta)們(men)在(zai)界(jie)麵(mian)處(chu)形(xing)成(cheng)阻(zu)塞(sai)相(xiang)變(bian)，將(jiang)直(zhi)接(jie)引(yin)起(qi)液(ye)滴(di)從(cong)順(shun)磁(ci)性(xing)轉(zhuan)變(bian)成(cheng)鐵(tie)磁(ci)性(xing)，也(ye)就(jiu)會(hui)變(bian)成(cheng)液(ye)態(tai)磁(ci)鐵(tie)。所(suo)以(yi)，通(tong)過(guo)控(kong)製(zhi)納(na)米(mi)粒(li)子(zi)在(zai)界(jie)麵(mian)的(de)吸(xi)附(fu)和(he)解(jie)吸(xi)附(fu)，便(bian)可(ke)以(yi)很(hen)好(hao)地(di)控(kong)製(zhi)液(ye)滴(di)磁(ci)極(ji)的(de)形(xing)成(cheng)和(he)消(xiao)失(shi)。

　　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。

　　liuxubojieshaodao，yuchuantonggutaicitiexiangbi，xinxingyetaicitiegengjialinghuoduobian。jiyushuiyoutixi，tongguokongzhicixingnamilizizaijiemianzizuzhuangxingchengbaohenamiliziceng，lilunshangjikeyibaoguoshuidi（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。

　　erqie，youyujiemiancixingnamilizidezizuzhuangshikenide，biru，tiaojieshuixiangsuanjiandujiukeyishidenamilizizaijiemianxifuhuozhejiexifu，zheyangjiukeyilinghuodishixiantieciyedidekenicihuahuoxiaoci。

　　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200duodu，yuanlaicixingnamilizisuijiyundongshoudaoyizhi，cihuazhihou，namilizidecijikeyihenhaodichaoyigefangxiangpailie，xingchenghongguanwendingciji，bianchengtiecixing。

　　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。

　　youru，tongguozengjiaciliutidezhandu，dangzhanduzengjiadaoxianggutiyiyangshijiubianchenggutaicitie，ranerzheyangjiushiquletieciyedidekezhonggougongneng，bunengyouxiaoshixiankenicihuahuozhexiaoci。

　　對於這種新型材料的用途，劉緒博認為，可以通過全液相3D打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征技術，如極化中子磁成像、X射線相幹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、jiemianlizicengwendingxingchadeng，suoyiweilairengyouzhuduolilunxuyaotansuowanshan。duiyugoujiantieciyedidecailiao，tamenmuqianzhiyanjiulesiyanghuasantie，weilaikenengtansuojiyutie、鈷、鎳等不同金屬或其氧化物的新型磁性納米材料。

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