几个世纪以来的发明家和今天的科学家已经找到了巧妙的方法，通过磁铁 - 从罗盘上的磁针到磁数据存储设备甚至MRI(磁共振成像)身体扫描机，让我们的生活更美好。
所有这些技术都依赖于由固体材料制成的磁铁。但是，如果你能用液体制造磁性设备怎么办?使用改良的3-D打印机，伯克利实验室的一组科学家就是这样做的。他们的研究结果将于7月19日发表在“ 科学 ”杂志上，可能会产生一种革命性的可印刷液体装置，用于各种应用，从提供靶向癌症治疗的人造细胞到灵活的液体机器人，可以改变其形状以适应周围环境。
伯克利实验室的访问学者科学家，马萨诸塞大学阿默斯特分校的高分子科学与工程教授汤姆罗素说：“我们制作了一种既有液体也有磁性的新材料。以前没有人见过这种材料。”领导了这项研究。“这为磁性软物质的新科学领域打开了大门。”
果酱会议：用液体制造磁铁
在过去的七年里，罗素在伯克利实验室的材料科学部门领导了一个名为自适应界面组件的结构液体项目，他致力于开发一种新型材料-3-D可印刷的全液体结构。
有一天，罗素和当前研究的第一作者Xubo Liu提出了从铁磁流体形成液体结构的想法，铁氧化物颗粒的溶液变得强磁性，但只有在另一个磁体存在的情况下。“我们想知道，如果铁磁流体可以暂时变成磁性，我们可以做些什么才能使其永久磁性，并且表现得像一块坚固的磁铁，但看起来仍然像液体一样?” 拉塞尔说。
为了找到答案，罗素和刘 - 伯克利实验室材料科学部的研究生研究员和北京化工大学的博士生 - 采用了他们与伯克利实验室的前博士后研究员乔福斯开发的3D打印技术。材料科学部门从含有直径仅为20纳米的氧化铁纳米颗粒(抗体蛋白的平均大小)的铁磁流体溶液中印刷1毫米的液滴。
在分子铸造厂使用表面化学和复杂的原子力显微镜技术，伯克利实验室的共同作者Paul Ashby和Brett Helms透露，纳米粒子通过一种称为“界面干扰的现象”在两种液体之间的界面处形成了一个类似固体的壳。拉塞尔说：“这会导致纳米颗粒聚集在液滴的表面，”就像在一个小房间里人们聚集在一起的墙壁一样。
为了使它们具有磁性，科学家们通过磁性线圈将液滴放入溶液中。正如预期的那样，磁性线圈将氧化铁纳米粒子拉向它。
但当他们拆下磁线圈时，发生了一些意外的事情。
使用微流体装置将含有氧化铁纳米颗粒分散体的三个铁磁液滴的视频成形为圆柱体，然后通过在界面处形成磁性纳米颗粒表面活性剂而锁定形状。
将圆柱形液滴置于具有相同密度的油中，使它们浮起，然后置于带有旋转棒磁铁的搅拌板上。一旦被磁化，它们就像漂浮的固体磁铁，相互旋转和跳舞。
向油中加入少量染料溶液(尼罗红)以跟踪旋转的铁磁液滴周围的流场。
视频从顶视图录制并实时播放。铁磁液滴的体积为2μL，铁磁液体筒的长度为2mm。图片来源：Xubo Liu和Tom Russell / Berkeley Lab
像同步游泳运动员一样，水滴完美地一致地相互吸引，形成优雅的漩涡。“就像小小的舞蹈水滴一样，”刘说。
不知何故，这些水滴变得永久磁性。“我们几乎无法相信，”拉塞尔说。“在我们研究之前，人们总是认为永磁体只能由固体制成。”
通过测量来衡量，它仍然是一块磁铁
所有磁铁，无论大小，都有北极和南极。相反的两极彼此吸引，而相同的两极互相排斥。
通过磁力测量，科学家发现当他们通过液滴放置磁场时，所有纳米粒子的南北极，从在液滴中漂浮的700亿个氧化铁纳米颗粒到液滴表面上的10亿个纳米颗粒，一致回应，就像坚固的磁铁一样。
这一发现的关键是氧化铁纳米粒子在液滴表面紧密地结合在一起。在每个十亿纳米颗粒之间仅有8nm，它们一起在每个液滴周围形成固体表面。不知何故，当表面上被卡住的纳米粒子被磁化时，它们将这种磁性方向转移到在核心周围游动的粒子，并且整个液滴变得永久磁性，就像固体一样，Russell和Liu解释说。
拉塞尔补充说，研究人员还发现，液滴的磁性能得以保留，即使它们将液滴分成更小，更薄的液滴，大约相当于人类头发的大小。
拉塞尔指出，在磁性液滴的众多惊人品质中，更重要的是它们改变形状以适应周围环境，从球体变为圆柱体变为煎饼，或者像一缕头发一样薄的管子，甚至是章鱼的形状 - 都不会失去它们的磁性。
还可以调节液滴以在磁模式和非磁模式之间切换。拉塞尔补充说，当他们的磁性模式打开时，他们的动作可以通过外部磁铁的指示进行远程控制。
Liu和Russell计划继续在伯克利实验室和其他国家实验室进行研究，以开发更复杂的3D打印磁性液体结构，例如液体印刷的人造细胞，或像微型螺旋桨一样移动的微型机器人，用于非侵入性的目标向患病细胞提供药物治疗。
“开始时，一个好奇的观察最终开辟了一个新的科学领域，”刘说。“这是所有年轻研究人员梦寐以求的东西，我很幸运有机会与伯克利实验室世界级用户设施支持的一大批科学家合作，使其成为现实，”刘说。