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马萨诸塞大学发明液体磁体打破永久磁体只由固体制成的局限《资讯》

发布时间:2020-08-17 12:14:51 阅读: 来源:跳线机厂家

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液体磁体诞生!开启新领域,打破永久磁体只能由固体制成的局限!几个世纪前的发明家和今天的科学家们已经找到了,让我们生活更美好的巧妙方法——从指南针上的磁针到磁性数据存储设备,甚至是核磁共振(MRI)身体扫描机器。所有这些技术都依赖于由固体材料制成的磁铁,但是如果能用液体做一个磁性装置呢?伯克利实验室的一组科学家,使用改良过的3D打印机就做到了这一点。其研究发现将于7月19日发表在《科学》(Science)上,这可能会带来一种革命性的可打印液体设备。可用于多种应用,从提供靶向癌症治疗的人造细胞,到可以改变形状以适应周围环境的柔性液体机器人。伯克利实验室客座教授、马萨诸塞大学阿默斯特分校聚合物科学与工程教授汤姆拉塞尔(Tom Russell)说:我们已经制造出一种兼具液态和磁性的新材料,这为磁性软物质科学的一个新领域打开了大门。

用液体制造磁铁

在过去的七年里,拉塞尔一直致力于开发一种新型材料——3d打印全液体结构。有一天,拉塞尔和目前这项研究的第一作者刘绪博提出了一个想法,从铁磁流体中形成液体结构。铁磁流体是一种氧化铁粒子的溶液,具有很强的磁性,但只有在另一种磁铁存在的情况下才能形成。拉塞尔说:我们想知道,如果铁磁流体可以暂时具有磁性,如何才能使它永久具有磁性,并且表现得像固体磁铁,但看起来和感觉起来仍然像液体。

为了找到答案,拉塞尔和刘绪博(伯克利实验室材料科学部的研究生研究员,同时也是北京化学工业大学的博士生)使用了和伯克利实验室材料科学部的前博士后研究员乔·福斯共同开发的3d打印技术,打印了直径仅为20纳米(抗体蛋白的平均大小)的含铁氧化物纳米颗粒铁流体溶液中的1毫米液滴。伯克利实验室的保罗·阿什比(Paul Ashby)和布雷特·赫尔姆斯(Brett Helms)利用分子铸造厂的表面化学和精密的原子力显微镜技术。

揭示了纳米颗粒通过一种称为“界面干扰”的现象,在两种液体的界面形成了一个类似固体的外壳。为了使液滴具有磁性,科学家们用磁性线圈将液滴置于溶液中。正如所料,磁性线圈将氧化铁纳米颗粒拉向它。但是当他们把线圈拿掉的时候,发生了一件意想不到的事情。就像花样游泳运动员一样,水滴以完美的一致性相互吸引,形成一个优雅的漩涡,就像跳舞的小水滴。不知何故,这些液滴变得具有永久磁性,研究人员几乎不敢相信,在该研究之前,人们一直认为永久磁体只能由固体制成。

通过测量,它仍然是一块磁铁

所有磁铁,无论大小,都有北极和南极,相反的极相互吸引,而相同的极相互排斥。通过磁力测量,科学家们发现,当把一个磁场放置在一个液滴上时,所有纳米粒子的南北极,从漂浮在液滴周围的700亿氧化铁纳米粒子到液滴表面的10亿纳米粒子,反应一致,就像一块固体磁铁。这一发现的关键是氧化铁纳米粒子在液滴表面紧紧地挤在一起。在这十亿个纳米粒子中,每一个之间只有8纳米,它们一起在每一个液滴周围形成了一个固体表面。当表面被卡住的纳米粒子被磁化后,它们会将这种磁性方向转移到核心中游动的粒子上。

整个水滴就会变成永久磁性,就像固体一样。研究人员还发现,即使把液滴分成更小、更薄、头发大小的液滴,液滴的磁性也被保留了下来。在这些磁性液滴的许多惊人特性中,更引人注目的是,它们会改变形状以适应周围环境,从球体变成圆柱体,变成煎饼,或者像一根头发一样细的管子,甚至变成章鱼的形状——所有这些都不会失去它们的磁性。液滴还可以通过调谐在磁性模式和非磁性模式之间切换,当它们的磁性模式被打开时,它们的运动可以通过外部磁铁遥控。

研究人员计划继续在伯克利实验室和其他国家实验室进行研究,开发更复杂的3d打印磁性液体结构,比如液体打印的人造细胞,或者微型机器人,它们像一个微型推进器一样移动,为患病细胞提供无创但有针对性的药物治疗。一开始是一个奇怪的观察,结果却开启了一个新的科学领域。北京化学工业大学的博士生刘绪博说:这是所有年轻研究人员的梦想,我很幸运有机会与伯克利实验室世界级用户设施支持的一群伟大科学家合作,使之成为现实。

文章来源:博科园

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