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　　3D列印的固體電磁鐵還能這么玩？

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　　先進(jìn)制造 ◇ 系列技術(shù)講座

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

　　用磁金屬材料制作指南針是我國古代的四大發(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)師美國馬薩諸塞大學(xué)安姆斯特分校樹脂自然科學(xué)和工程系教授Thomas Russell、美國洛斯阿拉莫斯國家實(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《中國自然當(dāng)代文學(xué)》，對于可解構(gòu)鐵磁性膠體，或稱可流動固體電磁鐵的自然科學(xué)研究能追溯到3年前。

　　那時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，開始接觸 “結(jié)構(gòu)化液體”課題，自然科學(xué)研究不同類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?？紤]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問道：“你們能否用液體列印全固體磁電子元件？那將會非常有趣?！?/p>

　　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發(fā)，終于在2018年3月成功制取了具有地磁場的固體電子元件，后對此進(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??！?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。相對于小大分子表層助劑，這種幾十個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法繼續(xù)在介底下自由移動，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個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磁奈米光子，一旦它們在介面處逐步形成堵塞化學(xué)反應(yīng)，將直接引起膠體從順磁轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁性，也就會變?yōu)楣腆w電磁鐵。所以，透過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程的，比如說，調(diào)節(jié)烴類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。

　　比如說，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，成千上萬的奈米地磁場很難一致排序，液體呈順磁；如果環(huán)境溫度降到零下200多度，原來磁奈米光子隨機(jī)運(yùn)動受到抑制，極化之后，奈米光子的地磁場能較好的往一個方向排序，逐步形成宏觀經(jīng)濟(jì)平衡地磁場，變?yōu)殍F磁性。

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

　　又如，透過增加莫爾拉阿縣體的黏度，當(dāng)黏度增加到像固體一樣時就變?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)可逆過程極化或者所帶。

對于這種新式金屬材料的商業(yè)用途，劉緒博認(rèn)為，能透過全液相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電子元件等，并推動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，劉緒博告訴《中國自然當(dāng)代文學(xué)》，目前該類型固體電磁鐵也有缺點(diǎn)，如膠體磁場強(qiáng)度弱、地磁場容易偏轉(zhuǎn)、介面光子層平衡性差等，所以未來仍有眾多方法論需要探索完善。對于構(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。

　　( 文章來源：互聯(lián)網(wǎng) )

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