3D列印的固体电磁铁还能这么玩？

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　　用磁金属材料制作指南针是我国古代的四大发明之一，而自然界的磁金属材料如电磁铁矿等都是固体金属材料，有没有办法能做低温干燥体的电磁铁呢？

日前，北京化工大学软物质自然科学与工程高精尖创新中心教授自然科学教授生刘绪博及其导师美国马萨诸塞大学安姆斯特分校树脂自然科学和工程系教授Thomas Russell、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室自然科学研究员Peter Fischer等人的自然科学研究团队在《自然科学》发表论文，发现了如前所述磁奈米光子在凝露介面自装配方法制取的可解构铁磁性胶体，兼有固态磁金属材料的磁和液体金属材料的资金面，开拓了磁金属材料的定义范围。

　　从奈米光子到固体电子元件

　　刘绪博告诉《中国自然当代文学》，对于可解构铁磁性胶体，或称可流动固体电磁铁的自然科学研究能追溯到3年前。

　　那时的刘绪博作为教授自然科学教授生进入了Thomas Russell教授的课题组，开始接触 “结构化液体”课题，自然科学研究不同类型奈米金属材料在凝露两相介面的自装配行为和潜在性应用。考虑到前人已在光积极响应、酸碱积极响应、电积极响应等不同领域耕耘多年，为开拓磁积极响应方法论，刘绪博选择了具有磁积极响应特性的四氧化酸二钠奈米光子为模型金属材料进行自然科学研究。

　　在北京化工大学积累了大量基础数据后，刘绪博2017年前往加州大学伯克利分校研习，在那里他遇到了自然科学研究磁金属材料的Peter Fischer。

Peter问道：“你们能否用液体列印全固体磁电子元件？那将会非常有趣。”

　　受Peter的启发，刘绪博的自然科学研究方向便从磁奈米光子介面自装配的微观方法论转向了宏观经济全固体磁电子元件的开发，终于在2018年3月成功制取了具有地磁场的固体电子元件，后对此进行了一系列相关的验证分析，并于今年在《自然科学》顺利发表这个有趣的自然科学研究结果。

　　固体电磁铁是怎样“炼”成的

　　“滴食用油放进纯净水里，晃从前，静静放着，碎掉的密度梯度平衡后由于介面冲击力作用会重新融合涌进并收缩成圆形。如果水里放滴洗涤剂，里面的小大分子表层助剂，能有效阻止密度梯度涌进，晃从前能变为很多微小的密度梯度并平衡存在。” 刘绪博解释道。

这次，刘绪博等人将亲水性莫尔拉阿县体金属材料与有机油相混合，水中分散着带负电的磁奈米光子（Fe3O4-COOH，直径约22奈米，只有头发丝的万分之一粗细），而油相溶解能够游离到介面处醛带上正电的树脂（POSS-NH2），二者在凝露介面相互吸引，原位逐步形成磁奈米光子表层助剂，牢牢地粘附在介面，降低介面冲击力。相对于小大分子表层助剂，这种几十个奈米大小的助剂能牢牢地贴附在介底下，逐步形成二维奈米光子层，饱和之后互相挤压无法继续在介底下自由移动，引发介面堵塞化学反应，另一方面降低了介面冲击力，另一方面能支撑起一个个任意形状的胶体平衡存在。

这些只有1微升大小的胶体，里面挤满了十亿多个磁奈米光子，一旦它们在介面处逐步形成堵塞化学反应，将直接引起胶体从顺磁转变为铁磁性，也就会变为固体电磁铁。所以，透过掌控奈米光子在介面的粘附和解粘附，便能较好地掌控胶体地磁场的逐步形成和消失。

　　仍有众多方法论需要探索

　　此次发现的新式可解构铁磁性胶体，在常压条件下，兼有现代可解构电磁铁的磁和液体金属材料的资金面。

　　刘绪博介绍道，与现代固态电磁铁相比，新式固体电磁铁更加灵巧多变。如前所述凝露体系，透过掌控磁奈米光子在介面自装配逐步形成饱和奈米光子层，方法论上既能包覆水滴（油包水）逐步形成亲水性铁磁性胶体，也能包覆密度梯度（水包油）逐步形成脱毛膏铁磁性胶体，即能制取亲水性或脱毛膏固体电磁铁。

而且，由于介面磁奈米光子的自装配是可逆过程的，比如说，调节烃类酸碱度就能使得奈米光子在介面粘附或者解粘附，这样就能灵巧地实现铁磁性胶体的可逆过程极化或所带。

　　和现代的改变莫尔拉阿县体磁的方法相比，新式铁磁性胶体也有众多优势。

　　比如说，莫尔拉阿县体是磁奈米光子和液体的混合物，常温下奈米光子随机运动，成千上万的奈米地磁场很难一致排序，液体呈顺磁；如果环境温度降到零下200多度，原来磁奈米光子随机运动受到抑制，极化之后，奈米光子的地磁场能较好的往一个方向排序，逐步形成宏观经济平衡地磁场，变为铁磁性。

　　然而极端环境温度对实际应用比较困难，新金属材料在常压下即可转变，更有利于开发潜在性商业用途。

　　又如，透过增加莫尔拉阿县体的黏度，当黏度增加到像固体一样时就变为固态电磁铁，然而这样就失去了铁磁性胶体的可解构功能，不能有效实现可逆过程极化或者所带。

对于这种新式金属材料的商业用途，刘绪博认为，能透过全液相3D列印和模塑成型等技术，制造磁控固体机器人、磁控固体微反应器、磁控可编程固体信息存储电子元件等，并推动新式磁金属材料表征技术，如极化中子磁成像、X射线相干散射显微成像等高端技术的发展应用。

　　不过，刘绪博告诉《中国自然当代文学》，目前该类型固体电磁铁也有缺点，如胶体磁场强度弱、地磁场容易偏转、介面光子层平衡性差等，所以未来仍有众多方法论需要探索完善。对于构建铁磁性胶体的金属材料，他们目前只自然科学研究了四氧化酸二钠，未来可能探索如前所述铁、钴、镍等不同金属或其氧化物的新式磁奈米金属材料。

　　( 文章来源：互联网 )

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