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　　3D列印的固體電磁鐵還能這么玩？

　　國(guó)際金屬加工網(wǎng)

　　先進(jìn)制造 ◇ 系列技術(shù)講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國(guó)機(jī)器人行業(yè)典型研討會(huì)

　　用磁金屬材料制作指南針是我國(guó)古代的四大發(fā)明之一，而自然界的磁金屬材料如電磁鐵礦等都是固體金屬材料，有沒(méi)有辦法能做低溫干燥體的電磁鐵呢？

日前，北京化工大學(xué)軟物質(zhì)自然科學(xué)與工程高精尖創(chuàng)新中心教授自然科學(xué)教授生劉緒博及其導(dǎo)師美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校樹(shù)脂自然科學(xué)和工程系教授Thomas Russell、美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室自然科學(xué)研究員Peter Fischer等人的自然科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《自然科學(xué)》發(fā)表論文，發(fā)現(xiàn)了如前所述磁奈米光子在凝露介面自裝配方法制取的可解構(gòu)鐵磁性膠體，兼有固態(tài)磁金屬材料的磁和液體金屬材料的資金面，開(kāi)拓了磁金屬材料的定義范圍。

　　從奈米光子到固體電子元件

　　劉緒博告訴《中國(guó)自然當(dāng)代文學(xué)》，對(duì)于可解構(gòu)鐵磁性膠體，或稱(chēng)可流動(dòng)固體電磁鐵的自然科學(xué)研究能追溯到3年前。

　　那時(shí)的劉緒博作為教授自然科學(xué)教授生進(jìn)入了Thomas Russell教授的課題組，開(kāi)始接觸 “結(jié)構(gòu)化液體”課題，自然科學(xué)研究不同類(lèi)型奈米金屬材料在凝露兩相介面的自裝配行為和潛在性應(yīng)用。考慮到前人已在光積極響應(yīng)、酸堿積極響應(yīng)、電積極響應(yīng)等不同領(lǐng)域耕耘多年，為開(kāi)拓磁積極響應(yīng)方法論，劉緒博選擇了具有磁積極響應(yīng)特性的四氧化酸二鈉奈米光子為模型金屬材料進(jìn)行自然科學(xué)研究。

　　在北京化工大學(xué)積累了大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，劉緒博2017年前往加州大學(xué)伯克利分校研習(xí)，在那里他遇到了自然科學(xué)研究磁金屬材料的Peter Fischer。

Peter問(wèn)道：“你們能否用液體列印全固體磁電子元件？那將會(huì)非常有趣。”

　　受Peter的啟發(fā)，劉緒博的自然科學(xué)研究方向便從磁奈米光子介面自裝配的微觀方法論轉(zhuǎn)向了宏觀經(jīng)濟(jì)全固體磁電子元件的開(kāi)發(fā)，終于在2018年3月成功制取了具有地磁場(chǎng)的固體電子元件，后對(duì)此進(jìn)行了一系列相關(guān)的驗(yàn)證分析，并于今年在《自然科學(xué)》順利發(fā)表這個(gè)有趣的自然科學(xué)研究結(jié)果。

　　固體電磁鐵是怎樣“煉”成的

　　“滴食用油放進(jìn)純凈水里，晃從前，靜靜放著，碎掉的密度梯度平衡后由于介面沖擊力作用會(huì)重新融合涌進(jìn)并收縮成圓形。如果水里放滴洗滌劑，里面的小大分子表層助劑，能有效阻止密度梯度涌進(jìn)，晃從前能變?yōu)楹芏辔⑿〉拿芏忍荻炔⑵胶獯嬖凇！?劉緒博解釋道。

這次，劉緒博等人將親水性莫爾拉阿縣體金屬材料與有機(jī)油相混合，水中分散著帶負(fù)電的磁奈米光子（Fe3O4-COOH，直徑約22奈米，只有頭發(fā)絲的萬(wàn)分之一粗細(xì)），而油相溶解能夠游離到介面處醛帶上正電的樹(shù)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層助劑，牢牢地粘附在介面，降低介面沖擊力。相對(duì)于小大分子表層助劑，這種幾十個(gè)奈米大小的助劑能牢牢地貼附在介底下，逐步形成二維奈米光子層，飽和之后互相擠壓無(wú)法繼續(xù)在介底下自由移動(dòng)，引發(fā)介面堵塞化學(xué)反應(yīng)，另一方面降低了介面沖擊力，另一方面能支撐起一個(gè)個(gè)任意形狀的膠體平衡存在。

這些只有1微升大小的膠體，里面擠滿了十億多個(gè)磁奈米光子，一旦它們?cè)诮槊嫣幹鸩叫纬啥氯瘜W(xué)反應(yīng)，將直接引起膠體從順磁轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁性，也就會(huì)變?yōu)楣腆w電磁鐵。所以，透過(guò)掌控奈米光子在介面的粘附和解粘附，便能較好地掌控膠體地磁場(chǎng)的逐步形成和消失。

　　仍有眾多方法論需要探索

　　此次發(fā)現(xiàn)的新式可解構(gòu)鐵磁性膠體，在常壓條件下，兼有現(xiàn)代可解構(gòu)電磁鐵的磁和液體金屬材料的資金面。

　　劉緒博介紹道，與現(xiàn)代固態(tài)電磁鐵相比，新式固體電磁鐵更加靈巧多變。如前所述凝露體系，透過(guò)掌控磁奈米光子在介面自裝配逐步形成飽和奈米光子層，方法論上既能包覆水滴（油包水）逐步形成親水性鐵磁性膠體，也能包覆密度梯度（水包油）逐步形成脫毛膏鐵磁性膠體，即能制取親水性或脫毛膏固體電磁鐵。

而且，由于介面磁奈米光子的自裝配是可逆過(guò)程的，比如說(shuō)，調(diào)節(jié)烴類(lèi)酸堿度就能使得奈米光子在介面粘附或者解粘附，這樣就能靈巧地實(shí)現(xiàn)鐵磁性膠體的可逆過(guò)程極化或所帶。

　　和現(xiàn)代的改變莫爾拉阿縣體磁的方法相比，新式鐵磁性膠體也有眾多優(yōu)勢(shì)。

　　比如說(shuō)，莫爾拉阿縣體是磁奈米光子和液體的混合物，常溫下奈米光子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，成千上萬(wàn)的奈米地磁場(chǎng)很難一致排序，液體呈順磁；如果環(huán)境溫度降到零下200多度，原來(lái)磁奈米光子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)受到抑制，極化之后，奈米光子的地磁場(chǎng)能較好的往一個(gè)方向排序，逐步形成宏觀經(jīng)濟(jì)平衡地磁場(chǎng)，變?yōu)殍F磁性。

　　然而極端環(huán)境溫度對(duì)實(shí)際應(yīng)用比較困難，新金屬材料在常壓下即可轉(zhuǎn)變，更有利于開(kāi)發(fā)潛在性商業(yè)用途。

　　又如，透過(guò)增加莫爾拉阿縣體的黏度，當(dāng)黏度增加到像固體一樣時(shí)就變?yōu)楣虘B(tài)電磁鐵，然而這樣就失去了鐵磁性膠體的可解構(gòu)功能，不能有效實(shí)現(xiàn)可逆過(guò)程極化或者所帶。

對(duì)于這種新式金屬材料的商業(yè)用途，劉緒博認(rèn)為，能透過(guò)全液相3D列印和模塑成型等技術(shù)，制造磁控固體機(jī)器人、磁控固體微反應(yīng)器、磁控可編程固體信息存儲(chǔ)電子元件等，并推動(dòng)新式磁金屬材料表征技術(shù)，如極化中子磁成像、X射線相干散射顯微成像等高端技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。

　　不過(guò)，劉緒博告訴《中國(guó)自然當(dāng)代文學(xué)》，目前該類(lèi)型固體電磁鐵也有缺點(diǎn)，如膠體磁場(chǎng)強(qiáng)度弱、地磁場(chǎng)容易偏轉(zhuǎn)、介面光子層平衡性差等，所以未來(lái)仍有眾多方法論需要探索完善。對(duì)于構(gòu)建鐵磁性膠體的金屬材料，他們目前只自然科學(xué)研究了四氧化酸二鈉，未來(lái)可能探索如前所述鐵、鈷、鎳等不同金屬或其氧化物的新式磁奈米金屬材料。

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