3D打印的液態磁鐵還能這麼玩？

2026-05-03 04:17:42

　　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？

　　日(ri)前(qian)，北(bei)京(jing)化(hua)工(gong)大(da)學(xue)軟(ruan)物(wu)質(zhi)科(ke)學(xue)與(yu)工(gong)程(cheng)高(gao)精(jing)尖(jian)創(chuang)新(xin)中(zhong)心(xin)博(bo)士(shi)研(yan)究(jiu)生(sheng)劉(liu)緒(xu)博(bo)及(ji)其(qi)導(dao)師(shi)美(mei)國(guo)馬(ma)薩(sa)諸(zhu)塞(sai)大(da)學(xue)安(an)姆(mu)斯(si)特(te)分(fen)校(xiao)聚(ju)合(he)物(wu)科(ke)學(xue)和(he)工(gong)程(cheng)係(xi)教(jiao)授(shou)Thomas 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》fabiaolunwen，faxianlejiyucixingnamilizizaishuiyoujiemianzizuzhuangfangfazhibeidekezhonggoutiecixingyedi，jianjugutaicicailiaodecixingheyeticailiaodeliudongxing，tuozhanlecixingcailiaodedingyifanwei。

　　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

　　“yidishiyongyoufangjinchunjingshuili，huangyihuang，jingjingfangzhe，suidiaodeyoudiwendinghouyouyujiemianzhanglizuoyonghuizhongxinronghejujibingshousuochengyuanxing。ruguoshuilifangyidixidiji，limiandexiaofenzibiaomianhuoxingji，keyiyouxiaozuzhiyoudijuji，huangyihuangkeyibianchenghenduoweixiaodeyoudibingwendingcunzai。” 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），erzhezaishuiyoujiemianxianghuxiyin，yuanweixingchengcixingnamilizibiaomianhuoxingji，laolaoxifuzaijiemian，jiangdijiemianzhangli。xiangduiyuxiaofenzibiaomianhuoxingji，zhezhongjishigenamidaxiaodehuoxingjikeyilaolaotiefuzaijiemianshang，xingchengerweinamiliziceng，baohezhihouhuxiangjiyawufajixuzaijiemianshangziyouyidong，yinfajiemianzusaixiangbian，yifangmianjiangdilejiemianzhangli，yifangmiankeyizhichengqiyigegerenyixingzhuangdeyediwendingcunzai。

　　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。

　　劉(liu)緒(xu)博(bo)介(jie)紹(shao)道(dao)，與(yu)傳(chuan)統(tong)固(gu)態(tai)磁(ci)鐵(tie)相(xiang)比(bi)，新(xin)型(xing)液(ye)態(tai)磁(ci)鐵(tie)更(geng)加(jia)靈(ling)活(huo)多(duo)變(bian)。基(ji)於(yu)水(shui)油(you)體(ti)係(xi)，通(tong)過(guo)控(kong)製(zhi)磁(ci)性(xing)納(na)米(mi)粒(li)子(zi)在(zai)界(jie)麵(mian)自(zi)組(zu)裝(zhuang)形(xing)成(cheng)飽(bao)和(he)納(na)米(mi)粒(li)子(zi)層(ceng)，理(li)論(lun)上(shang)既(ji)可(ke)以(yi)包(bao)裹(guo)水(shui)滴(di)（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。

　　而er且qie，由you於yu界jie麵mian磁ci性xing納na米mi粒li子zi的de自zi組zu裝zhuang是shi可ke逆ni的de，比bi如ru，調tiao節jie水shui相xiang酸suan堿jian度du就jiu可ke以yi使shi得de納na米mi粒li子zi在zai界jie麵mian吸xi附fu或huo者zhe解jie吸xi附fu，這zhe樣yang就jiu可ke以yi靈ling活huo地di實shi現xian鐵tie磁ci液ye滴di的de可ke逆ni磁ci化hua或huo消xiao磁ci。

　　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200多duo度du，原yuan來lai磁ci性xing納na米mi粒li子zi隨sui機ji運yun動dong受shou到dao抑yi製zhi，磁ci化hua之zhi後hou，納na米mi粒li子zi的de磁ci極ji可ke以yi很hen好hao地di朝chao一yi個ge方fang向xiang排pai列lie，形xing成cheng宏hong觀guan穩wen定ding磁ci極ji，變bian成cheng鐵tie磁ci性xing。

　　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。

　　又(you)如(ru)，通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)磁(ci)流(liu)體(ti)的(de)粘(zhan)度(du)，當(dang)粘(zhan)度(du)增(zeng)加(jia)到(dao)像(xiang)固(gu)體(ti)一(yi)樣(yang)時(shi)就(jiu)變(bian)成(cheng)固(gu)態(tai)磁(ci)鐵(tie)，然(ran)而(er)這(zhe)樣(yang)就(jiu)失(shi)去(qu)了(le)鐵(tie)磁(ci)液(ye)滴(di)的(de)可(ke)重(zhong)構(gou)功(gong)能(neng)，不(bu)能(neng)有(you)效(xiao)實(shi)現(xian)可(ke)逆(ni)磁(ci)化(hua)或(huo)者(zhe)消(xiao)磁(ci)。

　　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、界jie麵mian粒li子zi層ceng穩wen定ding性xing差cha等deng，所suo以yi未wei來lai仍reng有you諸zhu多duo理li論lun需xu要yao探tan索suo完wan善shan。對dui於yu構gou建jian鐵tie磁ci液ye滴di的de材cai料liao，他ta們men目mu前qian隻zhi研yan究jiu了le四si氧yang化hua三san鐵tie，未wei來lai可ke能neng探tan索suo基ji於yu鐵tie、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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