纳米磁性液体及其应用

徐长发，华中科技大学，2017.3.10

现在，磁性纳米粒子，无论在工业技术，光电技术，信息技术，还是在生物和医学领域的应用，都已表现出独特的优势，而且越来越广泛，越来越深入。本文侧重介绍纳米磁性液体在工业技术、生物和医学领域的新奇应用。

一．磁性材料的一般知识

磁性材料的种类非常多，应用范围也非常广泛，特别是高新技术都离不开磁性材料。

物质的磁性是从哪儿来的？这是因为，物质分子是由原子组成的，原子又是由原子核和电子组成的。在原子内部，电子不停地自转，并绕原子核旋转。电子的这两种运动都会产生磁性。如果某物质中电子运动的方向杂乱无章，该物质就不会表现出磁性。如果某物质的电子都在同一个方向上运动，该物质就会表现出磁性。

如果某种材料在外磁场作用下能表现出磁性，外磁场撤销后就失去磁性，这种材料称为软磁性材料。如果某种材料在磁化后，不容易去磁，这种材料称为永磁材料。

1.永磁材料

当前常用的永磁材料主要有:

①稀土永磁材料。这是当前磁性效果最好的一大类永磁材料（难怪发达国家都在争抢稀土）。我国研制和生产的钕铁硼稀土合金就是一种很好的永磁材料。

②金属永磁材料。这是一大类发展和应用都较早的永磁材料。主要有铝镍钴系和铁铬钴系的合金。

③铁氧体永磁材料。这是以三氧化二铁和四氧化三铁为主要元素的复合氧化物强磁材料，特别有利于高频和微波的应用，如钡铁氧体和锶铁氧体等。

2.软磁材料

软磁材料的特点是磁化快，去磁也快。它的功能主要是导磁、电磁能量的转换与传输。变压器的硅钢片是低频软磁材料，收音机中接收信号的磁棒是高频软磁材料。

当前常用的重要的软磁材料主要有:

①铁-硅系软磁材。常称硅钢片。是低频软磁材料，在电机和变压器中被广泛使用。

②铁-镍系合金软磁材料。也是性能良好的软磁材料,应用广泛。

③铁氧体软磁材料。是高频和超高频软磁材料，在通信和多种电子学器件中有着重要的应用。

④非晶软磁材料。通常情况下，金属及合金在常温下从液体凝固成固体时，原子总是从液体的混乱排列转变成整齐的排列，成为晶体。但是，如果金属或合金的凝固速度非常快（例如用每秒高达一百万度的冷却速率将铁－硼合金熔体凝固），原子来不及整齐排列便被冻结住了，最终的原子排列方式是混乱的，这就是非晶合金（又称为金属玻璃）。迄今为止，国内外非晶合金开发最多的是软磁材料。它们在化学成分上的共同点是：由两类元素组成，一类是铁磁性元素（铁、钴、镍或者他们的组合），它们用来产生磁性；另一类是硅、硼、碳等，它们称为类金属，也叫做玻璃化元素。这样，合金的熔点比纯金属降低了很多，容易形成非晶。非晶软磁材料的特点是制造工艺较简单,化学成分变化范围较宽、磁性均匀和良好的各向同性(因无晶粒结构)。

⑤其他软磁材料。选择适当的化学成分和适当的制造工艺,可以得到特定的软磁性能。例如,具有高能和高磁化强度的铁-钴系软磁合金,具有较高电阻率的铁-铝系软磁合金,具有磁晶各向异性的铁-硅-铝软磁合金等。

3.磁记录材料 

主要用作信息记录、无接点开关、逻辑操作和信息放大。例如，录音带、录像带就是把磁记录材料粘涂在聚酯薄膜带上制成的；使用磁记录材料制成计算机硬盘，其存储功能变得很强大。

4.磁性吸波材料

在雷达、微波通信、电子对抗等军用、民用的科技应用中，需要能够吸收微波的材料。铁氧体磁性材料就是一种较好的微波吸收材料，而且吸波范围很广。将铁氧体和铬系合金的纳米磁性颗粒放入涂料中，不仅吸收微波性能好，而且吸收和耗散红外线的性能也好。

5.压磁材料

这类材料的特点是在外加磁场作用下会发生机械形变，它的功能是作磁声或磁力能量的转换。常用于超声波发生器的振动头、通信机的机械滤波器、电脉冲信号延迟和一些微波器件等。

二。纳米磁性材料的分类

某种材料表现出磁性，实际上是全部微小磁粒子共同作用的结果。把磁性材料的尺寸越做越小，小到纳米级（0,1-100nm），这称为磁性纳米颗粒。人们发现，磁性纳米粒子会表现出不一般的性质，而且这些特性的强弱程度，与物质的种类有关，与纳米粒子尺寸有关，与粒子组合的结构有关，也与温度和其它外部环境有关。现在的研究很精细，这些有关因素，在什么条件下，磁性表现最强，磁宏观量子隧道效应最强，巨磁电阻效应最敏感，各种磁特性、磁电特性、磁光电特性又有什么表现，这些研究的成果进一步开拓了纳米磁性材料的应用。

用磁性纳米粒子做出来的纳米磁性材料，其性能更优异了，更特别了，其应用也更广泛了。

纳米磁性材料的分类 

①纳米颗粒型材料。应用时直接使用纳米颗粒的形态。

②纳米固块型材料。由磁性纳米颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所得到的致密型固体材料。

③纳米膜型材料。可以把某一种磁性纳米颗粒“镀”在基片上，控制覆盖厚度。也可以把两种磁性纳米颗粒“镀”在基片上，生成迷阵状的复合膜。如果改变材料的比例，改变颗粒大小与形态，就可以控制膜的特性。

④纳米磁性液体材料。在磁性的纳米微粒外面包覆了一层有机的表面活性剂，使其均匀弥散在基液中，形成的稳定胶状体，这就是纳米磁性液体。这种材料具有液体的流动性和磁体的磁性。当外界磁场作用时，液体有磁性，磁性颗粒向外磁场强的地方集中，当外界磁场撤销时，液体无磁性。

磁性液体最先用于宇航工业，后应用于民用工业。

纳米磁性材料的应用极其广泛，本文仅仅介绍纳米磁性液体的新奇应用。

三.纳米磁性液体在工业技术中的应用

1.旋转轴动态密封。这是磁性液体的一个典型且又非常成功的应用。在轴的外面安装密封套，套内有密封槽，槽内放纳米磁性液体（由磁性纳米粒子和润滑油组成）。由磁性纳米颗粒和润滑油构成磁性液体，在外磁场的作用下，磁性液体形成密封圈，也就是用磁性液体做密封材料的密封圈。外磁场撤销时，磁性液体聚存于密封槽下面的存储凹槽内。这种磁性液体的密封效果好，无泄漏、无摩擦、自润滑、自散热、寿命长。这种密封技术已经在单晶炉、高功率激光器、计算机等许多精密仪器中应用。

2.开关。磁性液体密封圈就可以做成开关。当轴不旋转时，磁性液体集中于密封圈下方的凹槽内，当外界磁场作用时，磁性液体形成密封圈并触发开关，让轴旋转。如果把磁性纳米颗粒与水银混合，外磁场控制水银流动方向，从而达到控制开关的目的。

3.扬声器。把磁性液体注入到扬声器的音圈间隙中，既增加阻力又可以散热。这样，可增加输出功率，改变音频效果。

4.阻尼器件。用磁性液体做成的阻尼器，对高低频率的震动都有很好的阻尼反应，阻止了各种震荡，对小的震荡也有很好的阻尼效果，阻尼效果平稳。多在步进马达、光学仪器、天平等精密仪器中使用。

5.光纤连接器。用磁性液体做光纤的连接器，是把不同直径的光纤插入磁性液体中，调整磁场就可以调整磁性液体的折射率，这样就能实现不同直径光纤信号之间的信号连接和阻断。

6.传感器。有一种倾斜/加速度传感器；当管道铺设存在倾斜时，磁性液体能够敏感地检测到倾斜信号；当运动平衡被打破，如在某个方向产生偏振或加速，磁性液体能够敏感地检测到这种信号。还有用磁性液体做成的，气压差传感器，压力传感器，密度、压力、体积、震动、加速、偏离等方面的测量仪。

7.冷却器。例如变压器的温度要冷却就可以用磁性液体实现。在温度高的地方，磁性粒子会失去磁性，温度降低时磁性又不断恢复，所以在磁性液体所构成的冷却系统中，液体总是由温度高的一端流向温度低的一端，这样不断循环，是无需其它动力的冷却系统。

8.选矿。物体在磁性液体中的浮力是根据磁性液体的磁化状态来决定的，所以，可以控制外磁场的强弱就可以分离不同比重的非磁性物质。

9.催化剂。把传统的催化剂用纳米粒子做出来，其催化效果倍增，这是因为纳米粒子的表面积大，表面活性大的原因。目前，热点研究的将催化位点移植到磁性纳米粒子上，这使得催化剂纳米材料的研究更为深入，这样可实现不同类型的而且不均一的催化的反应，例如，碳-碳交联反应、烯烃醛化反应、氢化作用、聚合反应等。还有报道说，磁性纳米粒子催化剂可实现包括酶、水解酯、氨基酸的相关反应。等等。

四．纳米磁性液体在生物医学工程中的应用

用磁性纳米粒子制成磁性液体，在生物和医学工程中应用，是基于下面的考虑。

①磁性液体可以被外磁场导向。因为，在外加磁场作用下磁性液体具有磁性而在外加磁场移除后不具有磁性。

②磁性物质可选用无生物毒性。钴和镍有生物毒性，氧化铁的磁纳米粒子无生物毒性，治疗结束后还可以通过人体肝脏和脾脏自然排泄。生物安全性高。

③磁性纳米粒子可按照不同目的被表面修饰。氧化铁的磁纳米粒子的比表面积大，几乎所有原子都分布在粒子的表面上，表面原子周围形成很多悬空键，具有不饱和性，易与其他原子结合形成稳定结构，表现出高化学活性。于是，磁性纳米粒子能与多种高分子药物的纳米颗粒，依靠表面化学键，亲和结合。这就是所谓的，对磁性纳米粒子做表面修饰。在医学工程中，表面修饰材料就选择那些与医用目的有关的药物的纳米颗粒（不同的目的就采用不同的材料）。表面修饰不仅增强了磁性纳米粒子的稳定性，还能提高其在水溶液中的分散性和生物相容性。

特别说明的是，这种磁性纳米粒子的表面修饰技术，是要有特别专业知识的，对于涉及化工、生物、医学等方面，有很多很难的目标，应用这项技术就可以简洁实现了。

1.分离纯化

因为磁性纳米粒子体积小、分散性好，表面积大，所以磁性纳米粒子表面可连接具有生物活性的吸附剂，也可连接其它配体等活性物质。也就是说，可按照人为目的做表面修饰，可按照人为目的，与特定生物分子或细胞结合，可对特定生物分子或细胞做出标记。施加外加磁场，可快速将做出标记的生物分子或细胞分离出来。如果要进一步做一些定量分析，那只要分析磁纳米粒子的个数，就知道生物分子或细胞的个数，再做其它生化分析就方便了。如果要进一步纯化物质，那就把分离出来的东西（只有磁性纳米粒子和特定物质），再分离出所需物质即可。

例如，要从血浆中提取某种药物、多肽、蛋白质、核酸、维生素，要从尿液或血清中提取滥用药物，要从水中提取农药，要从废水中去除或回收金属离子，要从花生酱中分离出黄曲霉素，要从机油中提取出添加剂，等等，都是不难的事情。

有人用经表面修饰的磁性纳米颗粒吸附人参汤液中的蛋白，分离提纯出人参蛋白，并用于临床试验。这个例子说明，中草药中的有效成分可以被提取和纯化。

生物分离和纯化是生物和医药技术中最重要的技术之一。这也是磁性纳米粒子应用中最具成果的一种。磁性分离方法具有高效、简单、快速的优点。

2.磁性转染

对磁性纳米粒子先做特定的表面修饰，让其带有阳性电荷，这种被修饰过的磁性粒子仍然很小，它容易进入细胞，它易于与带有阴性电荷的DNA结合。这样，磁性纳米颗粒就吸附了DNA，就达到了对DNA染色的目的。不仅如此，还可以把DNA提取出来，再把DNA引入别的细胞，实现所谓的“基因疗法”。

用这种对特定生物分子染色的方法，还可以对少数难以检测的悬浮细胞染色，可以对某种癌细胞染色。所以，磁性纳米材料为基因工程中提供了一种新的研究手段。

3.免疫分析

在免疫检测中，要对蛋白质、抗原、抗体及细胞进行定量分析。通常用一些具有特殊物理化学性质的标记物，如放射性同位素、酶、胶体金和有机荧光染料分子等，对抗体（或抗原）进行偶联标记，在抗原、抗体识别后，通过对标记物的定性或定量检测，从而达到对抗原（或抗体）检测的目的。

然而，用磁性纳米粒子实现免疫检测分析更为方便。同样，要先做出特定表面修饰，让它专门与抗原（或抗体）结合，这就很容易作出标识，很容易让其富集，并做出免疫分析。

 4.造影增强剂

当磁性纳米颗粒通过静脉注射后，它与血浆蛋白相结合，并在调理素作用下被网状内皮系统所识别，它就会沉积在网状内皮细胞丰富的组织和器官中。因此，磁性纳米颗粒是一种网状内皮系统的对比剂（造影增强剂）。这可用于肝、脾、淋巴结、骨髓等富含网状内皮细胞的组织和器官的核磁共振，成像更清晰。若是对纳米颗粒表面进行适当的修饰和特异性分子的偶联，则可以在更多方面成为核磁共振造影增强剂。

5.磁热疗

先将纳米磁性液体注入肿瘤处，利用外磁场，它可以被限制在肿瘤区域；再施加交流电磁场，让纳米磁性颗粒发热，将瘤区加热到41～46℃；因为肿瘤细胞比健康细胞对温度更敏感，所以该方法可以方便有效地破坏病态细胞。这种方法是局部施热，无毒副作用，被认为是未来癌症治疗的主要方法之一。

6.生物导弹

采用氧化铁磁性纳米粒子，磁性纳米粒子表面涂覆高分子材料后，外部再与蛋白质结合，将这种载有高分子和蛋白的磁性纳米粒子作为药物的载体，把这种“纳米级的微型药丸” 注射到血管中，在外加磁场的作用下，把“药丸”方便地移向病变部位，让外磁场保持一定时间，让“药丸”自行化解。这种靶向性治疗，可达到定点局部施药、减少药物用量、减少药物副作用的目的 ；还改变目前放疗和化疗中正常细胞和癌细胞统统被杀死的状况。动物临床实验证实，氧化铁磁性纳米粒子在治疗结束后可以通过人体肝脏和脾脏自然排泄。

7.水处理

磁性纳米粒子，由于比表面大，对水中的重金属（铬、砷等）具有较好的吸附作用，并且吸附快，吸附效率高。水中悬浮着的纳米磁性粒子，在外磁场作用下可以完全的移出溶液，而且磁性纳米材料还可以重复使用。用这种方法净化水中的重金属非常有效。

同样的道理，磁性纳米粒子可以用于去除环境中的一些有机污染物。高浓度的有机污染物大多为染料。织染工厂、颜料工厂、制革厂等的废水中均含有染料。用传统的方法去除这些有机污染物不仅困难而且费钱费时。用磁性纳米粒子，则简易直接，而且磁性粒子还可以回收再用。

8.吸附脱硫

燃油脱硫很重要。传统的脱硫方法，如离子交换法、沉淀法、吸附法、离子浮选法、反相渗透技术等，都存在一些局限性。但是，用磁性纳米颗粒在燃油中吸附硫非常有效，脱硫成效高。吸附了硫的磁性颗粒很容易从燃油中分离出来，硫也很容易分离出来，磁性材料还可以重复使用。

9.透明颜料

氧化铁纳米颗粒，具有明显的小尺寸效应，可以导致光的绕射，所以用它做成纳米级的薄膜，基本上是透明的。氧化铁纳米颗粒还是非常容易着色的，还具有很好的耐温、耐酸碱、强烈吸收紫外线等卓越的性能。于是，用氧化铁纳米粒子做成纳米级的薄膜（涂料），可用于功能性玻璃，彩色透明；可用于面漆、建筑涂料、塑料、尼龙、橡胶、油墨的着色剂，色彩鲜丽。

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