液體磁體誕生！開啟新領域，打破永久磁體只能由固體制成的局限！幾個世紀前的發明家和今天的科學家們已經找到了，讓我們生活更美好的巧妙方法——從指南針上的磁針到磁性數據存儲設備，甚至是核磁共振(MRI)身體掃描機器。所有這些技術都依賴于由固體材料制成的磁鐵，但是如果能用液體做一個磁性裝置呢？伯克利實驗室的一組科學家，使用改良過的3D打印機就做到了這一點。
其研究發現將于7月19日發表在《科學》(Science)上，這可能會帶來一種革命性的可打印液體設備。可用于多種應用，從提供靶向癌癥治療的人造細胞，到可以改變形狀以適應周圍環境的柔性液體機器人。伯克利實驗室客座教授、馬薩諸塞大學阿默斯特分校聚合物科學與工程教授湯姆拉塞爾(Tom Russell)說：我們已經制造出一種兼具液態和磁性的新材料，這為磁性軟物質科學的一個新領域打開了大門。
在過去的七年里，拉塞爾一直致力于開發一種新型材料——3d打印全液體結構。有一天，拉塞爾和目前這項研究的第一作者劉緒博提出了一個想法，從鐵磁流體中形成液體結構。鐵磁流體是一種氧化鐵粒子的溶液，具有很強的磁性，但只有在另一種磁鐵存在的情況下才能形成。拉塞爾說：我們想知道，如果鐵磁流體可以暫時具有磁性，如何才能使它永久具有磁性，并且表現得像固體磁鐵，但看起來和感覺起來仍然像液體？
為了找到答案，拉塞爾和劉緒博（伯克利實驗室材料科學部的研究生研究員，同時也是北京化學工業大學的博士生）使用了和伯克利實驗室材料科學部的前博士后研究員喬·福斯共同開發的3d打印技術，打印了直徑僅為20納米(抗體蛋白的平均大小)的含鐵氧化物納米顆粒鐵流體溶液中的1毫米液滴。伯克利實驗室的保羅·阿什比(Paul Ashby)和布雷特·赫爾姆斯(Brett Helms)利用分子鑄造廠的表面化學和精密的原子力顯微鏡技術。
揭示了納米顆粒通過一種稱為“界面干擾”的現象，在兩種液體的界面形成了一個類似固體的外殼。為了使液滴具有磁性，科學家們用磁性線圈將液滴置于溶液中。正如所料，磁性線圈將氧化鐵納米顆粒拉向它。但是當他們把線圈拿掉的時候，發生了一件意想不到的事情。就像花樣游泳運動員一樣，水滴以完美的一致性相互吸引，形成一個優雅的漩渦，就像跳舞的小水滴。不知何故，這些液滴變得具有永久磁性，研究人員幾乎不敢相信，在該研究之前，人們一直認為永久磁體只能由固體制成。
所有磁鐵，無論大小，都有北極和南極，相反的極相互吸引，而相同的極相互排斥。通過磁力測量，科學家們發現，當把一個磁場放置在一個液滴上時，所有納米粒子的南北極，從漂浮在液滴周圍的700億氧化鐵納米粒子到液滴表面的10億納米粒子，反應一致，就像一塊固體磁鐵。這一發現的關鍵是氧化鐵納米粒子在液滴表面緊緊地擠在一起。在這十億個納米粒子中，每一個之間只有8納米，它們一起在每一個液滴周圍形成了一個固體表面。當表面被卡住的納米粒子被磁化后，它們會將這種磁性方向轉移到核心中游動的粒子上。
整個水滴就會變成永久磁性，就像固體一樣。研究人員還發現，即使把液滴分成更小、更薄、頭發大小的液滴，液滴的磁性也被保留了下來。在這些磁性液滴的許多驚人特性中，更引人注目的是，它們會改變形狀以適應周圍環境，從球體變成圓柱體，變成煎餅，或者像一根頭發一樣細的管子，甚至變成章魚的形狀——所有這些都不會失去它們的磁性。液滴還可以通過調諧在磁性模式和非磁性模式之間切換，當它們的磁性模式被打開時，它們的運動可以通過外部磁鐵遙控。
研究人員計劃繼續在伯克利實驗室和其他國家實驗室進行研究，開發更復雜的3d打印磁性液體結構，比如液體打印的人造細胞，或者微型機器人，它們像一個微型推進器一樣移動，為患病細胞提供無創但有針對性的藥物治療。一開始是一個奇怪的觀察，結果卻開啟了一個新的科學領域。北京化學工業大學的博士生劉緒博說：這是所有年輕研究人員的夢想，我很幸運有機會與伯克利實驗室世界級用戶設施支持的一群偉大科學家合作，使之成為現實。
博科園｜研究/來自：勞倫斯伯克利國家實驗室
參考期刊《科學》
DOI: 10.1126/science.aaw8719
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