東南大學趙遠錦Adv. Mater.綜述：柔性磁流體的設計和應用

【引言】

具有響應特征的功能材料從科學研究到實際應用都有著極高的應用價值。上個世紀以來，科研人員為開發微納尺度的磁流體作出了許多努力，以期實現對化學制劑、光照、溫度、pH值、機械力和磁力等外加激勵的敏捷響應。其中廣為研究的一種響應材料就是磁流體。廣義來講，具有單個磁疇的鐵磁納米顆粒的膠體懸浮液處于某種載體流體中，可統稱為磁流體。磁流體最顯著的特征是結合了超順磁性質和流體一般表現，不僅使磁流體在相對弱的磁場中表現出快速的強磁響應，且使磁流體具有磁控、柔性、可逆流變、熱學、光學等物理性質，與磁流體與其他材料的相容性結合起來，使得磁流體在眾多領域都有潛在應用。

【成果簡介】

磁流體也稱作鐵磁性顆粒懸浮液，是一類具有優異磁性響應的材料，因此在工業應用和科學研究領域受到越來越多的關注。由于其具有快速的磁相互作用、靈活的流動性和可調節的光學/熱學性質等出色的特點，在材料科學、物理學、化學、生物醫藥和工程領域得到了廣泛應用。近日，東南大學的趙遠錦教授（通訊作者）在Advanced Materials上發表了題為“Flexible Ferrofluids: Design and Applications”的綜述文章，系統介紹了柔性磁流體器件近年來的設計、開發進展。本文采用一種全面、縱深的視角，從材料制備、液滴操控、生物醫藥、能源、機械領域的應用幾個方面來深入理解磁流體，并討論了當前存在的挑戰，對未來作出展望。

【圖文導讀】

圖1：磁流體液滴對外加磁場的動力學響應。

(a)磁流體液滴在外加磁場下分割的示意圖（由1至4強度遞增）；

(b)磁流體液滴分割的光學圖像；

(c)磁流體母液滴分割后復雜形式的示意圖；

(d)母液滴分割的多重光學圖像。

圖2：外加磁場下磁流體的行為調控。

(a)增強外加磁場下磁流體液滴陣列的行為；

(b)旋轉外加磁場下磁流體液滴陣列的行為；

(c)基于磁流體的制備過程示例的示意圖；

(d)磁流體序列衍生的聚合物模板的光學圖像；

(e)磁流體序列衍生的聚合物模板的SEM圖像；

(f-h) 受豬籠草齒毛啟發的基于磁流體配合模板的各向異性表面。

圖3：磁流體作為載體溶液的應用。

(a)兩組元懸浮液中顆粒的組合；

(b)三組元懸浮液中顆粒的組合；

(c)表示浸入磁流體中的非磁性粒子周圍外加磁場分布的模擬結果，以及這些非磁性粒子響應行為的示意圖；

(d)納米管在無磁場作用下隨機展開(i)和磁場下取向有序(ii)的示意圖。

圖4：多種形狀的磁響應軟體機器人。

(a)具有多個纖毛狀足的磁響應軟體機器人；

(b)具有磁響應的彈性體柱狀序列；

(c)軟體螺旋形微型馬達的制備方法和磁場驅動下的旋轉行為；

(d)應用于手風琴、升降機和蠕動泵的磁性彈性體薄膜光學圖像；

(e)磁性響應薄片的示意圖和SEM圖像；

(f)直寫成型技術制備得到的復雜三維圖樣示例。

圖5：鐵磁顆粒衍生材料作為光子材料的應用。

(a)包含乙二醇/鐵磁粒子液滴的磁響應PDMS復合物薄膜的光學圖像，及其在外加磁場下的變色性質；

(b)通過M墨水產生多色高分辨圖樣的過程；

(c)M墨水生成的圖樣示例。

圖6：受限空間中的鐵磁顆粒自組裝行為。

(a)顆粒在球面附近形成直鏈的俯視SEM圖像；

(b)當暴露在平行于觀察方向的磁場中，處于“開啟”狀態的液滴的光學圖像(i-iii)，以及外加磁場垂直于觀察方向時，處于“關閉”狀態的液滴的光學圖像(iv-vi)。

圖7：基于磁流體的三維超順磁顆粒的制備。

(a)表示超順磁顆粒用沉積定向式自組裝從而組裝成不同形狀的示意圖；

(b)在不同鐵磁性粒子濃度和磁場強度下，形狀各異的超粒子；

(c)超粒子的分解和組裝。

圖8：含磁流體的彈性體表面。

(a)外加磁場誘導的磁響應表面狀態切換的示意圖；

(b)在PDMS，玻璃，PMMA，鋁和紙張表面制備得到的磁響應表面，這些材料作為捕捉、運輸和釋放液滴的機械手；

(c)含磁流體的多層彈性體表面上液滴運輸的示意圖和數碼圖像。

圖9：磁流體輸注的復合物表面。

(a)一種移動梯度磁場作用下，磁流體輸注的納米序列表面的液滴移動行為；

(b)宏觀拓撲學FLIPS上采用不同的磁體/基底距離d的實驗設置和水液滴的聚集行為；

(c)FLIPS上磁流體包裹液滴和未包裹液滴的混合行為。

圖10：磁性連續流變磁流體。

(a)細胞封裝和分離過程的示意圖和圖像；

(b)通過“蛇形梯(Snakes-and-Ladders)”磁性微流體平臺，高分子電解質包覆的聚乙烯吡咯烷酮穩定化的磁性液滴。

圖11：表面能勢阱(SET)激活的磁數字化微流體平臺。

(a)SET激活的磁數字化微流體平臺上的液滴操控；

(b)通過SET激活的磁數字化微流體平臺實現多路復用基因判別；

(c)通過SET激活的磁數字化微流體平臺實現連續稀釋；

(d)負載鐵磁粒子的液滴通過磁性軌跡進行調控。

圖12：磁性液體彈球。

(a)磁性液體彈球的制備；

(b)磁性液體彈球對磁場的響應；

(c)基于磁性液體彈球的“液滴內實驗室”的示意圖；

(d)具有兩面粒子構型的液體彈球的表征。

圖13：磁控門納米流體。

(a)磁性門流體的原理和應用；

(b)液滴設置/重置觸發器；

(c)不同振動模式的示意圖。

圖14：磁流體用于核磁共振成像的細胞示蹤。

(a)磁性標記的中性粒細胞制備和示蹤過程示意圖；

(b)MRI成像顯示磁性標記中性粒細胞修飾的腫瘤位置具有很強的襯度增強。

圖15：磁流體用于癌癥治療的靶向給藥。

(a)藥物-鐵磁粒子通過共價鍵捆綁的示例；

(b)示意圖表示鐵磁粒子為膠囊的水凝膠中空球的制備；

(c)大型多功能脂質體結構的示意圖。

圖16：磁流體在組織工程學中的應用。

(a)細胞的三維磁性懸浮;

(b)通過磁性對齊的海藻酸骨架的制備示意圖和相應的成肌細胞培養；

(c)組織培養中細胞搭載用微尺度水凝膠的空間編碼。

圖17：磁流體在強化傳熱中的應用。

(a)磁流體的熱磁對流示意圖；

(b)TENG和EMG組件的操作原理示意圖；

(c)基于磁流體的TENG_EMG雜化系統的輸出信號。

圖18：磁流體應用于磁光器件。

(a)鐵磁柱體暴露于強垂直磁場形成的有序六方結構；

(b)磁流體薄膜在平行磁場下的示意圖；

(c)鐵磁粒子修飾的三維石墨烯氣凝膠在磁場作用下的可逆壓縮。

圖19：磁流體在多相分離中的應用。

(a)在毛細管微流體器件中制備石墨烯氧化物包封的單個、兩個、三個、四個磁性多孔球體核；

(b)用石墨烯氧化物包封的磁性多孔球吸收的硅油（黃色染料）漂浮于水的表面；

(c)吸收的氯仿（紅色染料）沉降到水下。

圖20：基于磁流體的FLIP結構在工程中的應用。

(a)FLIP的吸附能力；

(b)FLIP的泵吸能力；

(c)生物薄膜從FLIP上脫離。

【小結】

本篇綜述對新興的磁流體做了概括性總結，內容涵蓋磁流體的新型設計和廣泛的應用。從其磁響應性質出發，作者討論了磁流體在微成型和微觀粒子組織中的用途，強調了開發磁性激勵軟物質所做的努力，總結了鐵磁粒子自組裝衍生的光子結構。此后，作者概括了磁流體和特殊設計表面或微流體系統的集成，二者都體現了流體或液滴操控的優越性。作者還強調了磁流體在體外檢測、體內診斷和治療中的實際價值，特別是在實時、對生物標記物高靈敏度探測、細胞示蹤、分子成像、基因治療等這些領先的研究工作。文章對磁流體在能源和工程領域的作用（例如熱傳遞、能量收集和吸收油狀物）也作了討論。盡管已有的成果引人矚目，阻礙擴展磁流體應用范圍的重要問題還依然存在。首先，對磁流體的基礎研究仍然匱乏，磁流體的粒子結構、形狀和元素組成對其磁性、動力學和磁熱效應的影響目前仍知之甚少。此外，鐵磁粒子制備技術依然存在著進步空間，制備均勻、多分散的鐵磁粒子的方法還在探索中。此外，由于磁場對磁流體準確調控必須處于小空間限制內，目前還有待實現磁流體在寬范圍的精確控制。第二個問題是對磁流體在活體內的生物安全性的考慮。在疾病治療方面，磁流體的靶向能力還不足。除此之外。磁激勵微納機器人系統的報道中提到，其中多數只能在相對簡單的活體液態環境中表現簡單運動模式，而實際情況要復雜得多。因此，需要磁性機器人可以適應黏性復雜流體的微結構，并能開展多種復雜任務。此外，液滴沉積、液滴內不均勻物質和有機組成的效能損失都是需要考慮的問題。

文獻鏈接：Flexible Ferrofluids: Design and Applications（Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201903497）

本文由Isobel撰稿。