3D打印的液态磁铁还能这么玩？

用磁性材料制作指南针是中国古代四大发明之一。自然界中的磁性物质，如磁铁矿，都是固体物质。有没有办法制造液体磁铁？

前几天，北京化工大学软材料科学与工程高级创新中心的研究生刘和他的导师美国麻省大学高分子科学与工程教授托马斯·拉塞尔以及美国劳伦斯·伯克利国家实验室研究员彼得·费希尔在《科学》杂志上发表了一篇论文。他们发现，通过磁性纳米粒子在水-油界面的自组装制备的可重构铁磁性微滴既具有固体磁性材料的磁性，又具有液体材料的流动性，拓展了磁性材料的定义范围。

从纳米粒子到液体设备

刘告诉《中国科学新闻》，对可重构铁磁性液滴或可流动液体磁体的研究可以追溯到3年前。

当时，刘以博士生身份进入Thomas Russell教授的研究小组，开始接触“结构液体”这一课题，研究不同类型纳米材料在水-油两相界面的自组装行为和潜在应用。考虑到前人已经在光响应、酸碱响应和电响应等不同领域工作多年，为了拓展磁响应理论，刘选择了具有磁响应特性的四氧化三铁纳米粒子作为研究的模型材料。

在北京化工大学积累了大量基础数据后，刘于2017年前往加州大学伯克利分校进行交流研究，在那里他遇到了研究磁性材料的彼得·菲舍尔。

彼得问，“你能在液体中打印全液体磁性设备吗？这将非常有趣。”

受彼得的启发，刘的研究方向从磁性纳米粒子界面自组装的微观理论转向了宏观全液体磁性器件的开发。最后，在2018年3月，成功制备了一种带有磁极的液体装置。经过一系列相关的验证和分析，这一有趣的研究成果今年成功地发表在《科学》杂志上。

液态磁铁是如何“精炼”的

“将一滴食用油放入纯水中，摇匀后静静地放置。破碎的油滴稳定后，由于界面张力，它们会重新结合、聚集并收缩成一个圆圈。如果把一滴洗涤剂放入水中，里面的小分子表面活性剂可以有效防止油滴聚集，并可以变成许多微小的油滴，稳定存在。”刘对解释道。

这一次，刘、等人将水基磁流体材料与有机油混合。带负电的磁性纳米粒子(Fe3O4-COOH，直径约22纳米，仅是头发丝厚度的1/10000)分散在水中，而油相溶解带正电的聚合物(POSS-NH2)，该聚合物可在界面上解离成质子化。两者在水-油界面相互吸引，原位形成磁性纳米粒子表面活性剂，磁性纳米粒子表面活性剂牢固地吸附在界面上，降低了界面张力。与小分子表面活性剂相比，这种数十纳米大小的表面活性剂可以牢固地附着在界面上，形成二维纳米颗粒层。饱和后，相互挤压不能继续在界面上*移动，导致界面阻塞相变。一方面，界面张力降低，另一方面，可以支持任何形状的液滴稳定存在。

这些只有1微升大小的液滴中充满了超过10亿个磁性纳米粒子。一旦它们在界面上形成阻塞相变，它们将直接导致液滴从顺磁性变为铁磁性，并且还将变成液体磁体。因此，通过控制纳米粒子在界面上的吸附和解吸，可以很好地控制液滴磁极的形成和消失。

仍然有许多理论需要探索。

新发现的可重构铁磁性液滴既具有传统可重构磁体的磁性，又具有液体材料在室温下的流动性。

刘说，与传统的固体磁铁相比，新型液体磁铁更灵活多变。基于水-油系统，通过控制磁性纳米粒子在界面处的自组装以形成饱和纳米粒子层，理论上，水滴(油中的水)可以被包裹以形成水基铁磁滴，并且油滴(水中的油)可以被包裹以形成油基铁磁滴，即，可以制备水基或油基液体磁体。

此外，由于磁性纳米粒子在界面处的自组装是可逆的，例如，调节水相的酸碱度可以使纳米粒子在界面处吸附或脱附，从而可以灵活地实现铁磁液滴的可逆磁化或退磁。

与改变磁流体磁性的传统方法相比，新的铁磁性液滴还具有许多优点。

例如，磁流体是磁性纳米粒子和液体的混合物。在常温下，纳米粒子随机移动，数千个纳米磁极难以均匀排列。液体是顺磁性的。如果温度下降到零下200度以上，磁性纳米粒子的随机运动将受到抑制。磁化后，纳米粒子的磁极可以很好地在一个方向排列，形成宏观稳定的磁极，并成为铁磁性的。

然而，极端的温度对于实际应用是困难的。新材料可以在室温下改变，这更有利于潜在应用的发展。

另一个例子，通过增加磁性流体的粘度，当粘度增加到像固体时，它变成固体磁体。然而，它失去了铁磁性液滴的可重构功能，不能有效实现可逆磁化或退磁。

关于这种新型材料的使用，刘认为有可能制造磁控液体机器人、磁控液体微反应器、磁控可编程液体信息存储装置等。通过全液体3D打印和成型技术，推动新型磁性材料表征技术的开发和应用，如极化中子磁成像、x射线相干散射显微成像等高端技术。

然而，刘告诉《中国科学报》说，目前的液体磁体类型也有其缺点，如液滴磁场强度弱，磁极容易偏转，界面颗粒层稳定性差，因此仍有许多理论有待探索和完善。对于用于构建铁磁性液滴的材料，目前他们只研究了四氧化三铁，未来可能会探索基于不同金属如铁、钴、镍或其氧化物的新型磁性纳米材料。

https://doi.org/10.1126/science.aaw8719