北京化工大學今日Science: 可重構的鐵磁液滴

【前言】

固體鐵磁材料的形狀是剛性的，不能進行重構。鐵磁流體雖然可重新配置，但在室溫下是順磁性的，并且當施加的磁場被移除時會失去其磁化。在這里，作者們通過在水-油界面處組裝的單層磁性納米顆粒的干擾顯示出鐵磁流體液滴的可逆順磁-鐵磁轉變。這些鐵磁性液滴表現出有限的矯頑力和剩余磁化強度。它們可以很容易地重新配置成不同的形狀，同時保留固體鐵磁體的磁性，具有經典的南北偶極相互作用。它們的平移和旋轉運動可以通過外部磁場遠程和精確地驅動。這些發現啟發了對活性物質，能量耗散組件和可編程液體構造的研究。

【成果簡介】

今日，北京化工大學以及加州大學伯克利分校的Xubo Liu(第一作者)在北京化工大學、馬薩諸塞大學、和日本東北大學的Thomas P. Russell教授（通訊作者）的指導下，在頂級期刊Science上發表了題為“Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets”的文章。在這里，作者們展示了一種簡單的方法通過MNP-表面活性劑的原位形成和界面堵塞來實現可逆順磁-鐵磁轉變。作者們將羧化直徑為22-nm的（Fe₃O₄-CO₂H）MNP的水分散體浸入胺改性的多面體低聚倍半硅氧烷（POSS-NH₂）在甲苯中的溶液中。 POSS-NH₂本身是表面活性劑，在界面處組裝并與MNP靜電相互作用，將明確數量的POSS-NH₂錨定到MNP，將MNP轉化為MNP-表面活性劑。當液滴形狀改變時，界面面積增加，并且在界面處形成并組裝另外的MNP-表面活性劑。液滴進行自我重塑，以最小化界面面積，從而最小化系統的自由能。

圖一、通過MNP-表面活性劑的界面干擾將順磁性FF可調諧轉化為FLD。

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（A）具有（紅線）和沒有（黑線）的液滴的磁滯回線用振動樣品磁強計測量界面層的卡住的MNP-表面活性劑。含有FF₃和FLD的兩種示意圖，其含有pH4.5的Fe₃O₄-CO₂H MNP（0.5g L^-1），在沒有和具有POSS-NH₂配體（1.0g L^-1）的甲苯中浸沒。 （B）各個5-mL水滴的滯后環，其中0.5g L^-1和0.05g L^-1的Fe₃O₄-CO₂H MNP在不同pH下浸入0.01g L^-1配體溶液中。液滴的表面覆蓋（SC）是在MNPS組件未卡住的情況下，約為7％~20％。 （C）用pH5.5的0.5g L^-1的MNP浸漬在1.0g L^-1的甲苯中的POSS-NH₂溶液中的單個卡住的水滴的滯后回路和超聲處理后同一系統的磁滯回線（圖S1和S2）。 （D）液滴的先生和Ms作為液滴體積的函數。在插圖中，作為初始液滴體積（單個液滴或聲波處理成多個較小液滴的液滴）的函數的剩磁比率Mr / Ms保持恒定在~0.25。 FF，鐵磁流體; FLD，鐵磁液滴。

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圖二、用磁偶極相互作用操縱FLD。

（A）磁化液體缸由鋁電磁閥產生的磁場梯度吸引。（B）新鮮的非磁化液缸（黑色箭頭）的位移作為時間的函數，磁極液體圓筒的北極朝向線圈（紅色箭頭），和磁化液體棒，南極面向線圈（藍色箭頭）。 極限速度由場梯度和磁矩決定。 箭頭表示圓柱的方向相對于初始方向。 （C）兩個磁化液體柱之間的偶極相互作用，N-S吸引，N-N和S-S排斥。 比例尺，2毫米。

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圖三、變形FLD頂視圖。

?（A）通過用玻璃毛細管通道機械模塑將球形液滴重塑到圓筒中。 （B）通過使用具有不同體積的液滴，可以形成不同縱橫比的液滴。 （C）通過調節FLD圓筒中的水溶液的pH（例如，分別為4.5和9）來重新配置界面干擾和MNP-表面活性劑的未破壞。 比例尺，1毫米。

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圖四、使用靜態和旋轉磁場對FLD進行分類。

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FLD的混合物，包括阻塞的單層MNP-表面活性劑和FF核（分散的羧基官能化的氧化鐵NPs，Fe₃O₄-CO₂H）（褐色球體）的殼; FF液滴包括一種卡住的非磁性CMC表面活性劑（CMCS）的殼，其包封PEG涂覆的氧化鐵NPs（Fe₃O₄-PEG）（紅色球）的水分散體; FF液滴包含Fe₃O₄-PEG NPs的水分散體，在液滴表面沒有卡住的單層（亮綠色球體）。 通過使用（A）容器側面上的靜態條形磁鐵和（B）在容器下方旋轉的條形磁鐵來分離FLD。 [Rhodamine B in CMC-卡住的FF] = 1g L^-1，[FF中的熒光素鈉鹽] = 1g L^-1。（C）使用油溶性染料在旋轉磁場中可視化FLD系綜的流體動力學渦流。 [尼羅紅在甲苯中] = 1g L^-1。 比例尺，3毫米。

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本文由材料人編輯部踏浪供稿，材料牛編輯整理。