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2019-07-19
北京时间7月19日，《Science》在线刊登了北京化工大学软物质高精尖中心最新研究成果 “Reconfigurable ferromagnetic liquid droplet” ，即可重构的铁磁性液滴，或称液态磁铁。该研究发现一种新型磁性液体，通过控制磁性纳米粒子在水油界面的自组装，最终成功引导铁磁流体从顺磁性转变成铁磁性。通俗来讲，磁铁不再一定是坚硬的固体，也可以是流动的液体。
磁性材料的广泛使用大大提升了人类的生活水平，小到家用电器如冰箱，大到航天设备如磁导航仪，固态磁性材料的身影无处不在。而一般液态磁性材料，如传统铁磁流体，虽具有灵活形态但本身不存在磁极，只有在外加磁场作用下被持续磁化才能表现出特定磁性。该研究中发现的铁磁性液滴 （FLD），或称液态磁铁，既拥有类似固态磁铁的磁性，又具备液体的可流动性，二者结合形成一种全新的磁性软物质材料。这里，将水基磁流体材料与有机相混合，分散于水相中的羧基化四氧化三铁磁性纳米粒子（Fe3O4-COOH NPs）与溶解于相邻油相中的氨基化笼形倍半硅氧烷（POSS-NH2）在水油界面相互作用，原位自组装形成磁性纳米粒子表面活性剂，吸附到界面处并实现阻塞相变，形成磁流体液滴。室温下测量该液滴磁滞回线发现，不同于传统顺磁性磁流体，这种液滴表现出一定强度的剩磁和矫顽力，转变为铁磁性。结合最新的全液相3D打印和微流控成型技术，研究人员可在全液态条件下，制造任意形貌的磁性液态器件。此外，已成型的液体还可以通过改变液体内酸碱环境进行重构，实现可逆磁化或消磁。这种新型铁磁液滴具有诸多奇特性质，未来有望用于磁控液态机器人、可编程液态微反应器等领域，并推动新型液态磁材料表征技术如极化中子磁场成像等向前发展。
(A) 示意图表示水相中的磁性纳米粒子与油相中的配体在水油界面自组装形成致密的二维纳米薄膜及铁磁液滴；磁滞回线表明铁磁流体在组装前后发生的顺磁-铁磁转变；(B) 水油界面发生阻塞相变的磁性纳米粒子的透射电子显微镜照片；(C)悬浮在油相中的铁磁液滴在外部磁场作用下旋转，红色染料记录了液滴周围液体的湍流轨迹。（Science，2019，DOI: 10.1126/science.aaw8719）。
北京化工大学为本文第一完成单位，其他主要合作单位包括美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）、加州大学伯克利分校（UC Berkeley）等。马萨诸塞大学安姆斯特分校的Thomas Russell教授为本文的通讯作者，软物质高精尖中心史少伟研究员和我校材料学院王东教授也参与了该项目。本文第一作者刘绪博是高精尖中心博士生，已在Adv. Mater., Angew. Chem.等期刊上发表论文多篇。本研究工作得到北京软物质科学与工程高精尖创新中心专项科研经费的支持。
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