北京化工大学今日Science: 可重构的铁磁液滴

【前言】

固体铁磁材料的形状是刚性的，不能进行重构。铁磁流体虽然可重新配置，但在室温下是顺磁性的，并且当施加的磁场被移除时会失去其磁化。在这里，作者们通过在水-油界面处组装的单层磁性纳米颗粒的干扰显示出铁磁流体液滴的可逆顺磁-铁磁转变。这些铁磁性液滴表现出有限的矫顽力和剩余磁化强度。它们可以很容易地重新配置成不同的形状，同时保留固体铁磁体的磁性，具有经典的南北偶极相互作用。它们的平移和旋转运动可以通过外部磁场远程和精确地驱动。这些发现启发了对活性物质，能量耗散组件和可编程液体构造的研究。

【成果简介】

今日，北京化工大学以及加州大学伯克利分校的Xubo Liu(第一作者)在北京化工大学、马萨诸塞大学、和日本东北大学的Thomas P. Russell教授（通讯作者）的指导下，在顶级期刊Science上发表了题为“Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets”的文章。在这里，作者们展示了一种简单的方法通过MNP-表面活性剂的原位形成和界面堵塞来实现可逆顺磁-铁磁转变。作者们将羧化直径为22-nm的（Fe₃O₄-CO₂H）MNP的水分散体浸入胺改性的多面体低聚倍半硅氧烷（POSS-NH₂）在甲苯中的溶液中。 POSS-NH₂本身是表面活性剂，在界面处组装并与MNP静电相互作用，将明确数量的POSS-NH₂锚定到MNP，将MNP转化为MNP-表面活性剂。当液滴形状改变时，界面面积增加，并且在界面处形成并组装另外的MNP-表面活性剂。液滴进行自我重塑，以最小化界面面积，从而最小化系统的自由能。

图一、通过MNP-表面活性剂的界面干扰将顺磁性FF可调谐转化为FLD。

（A）具有（红线）和没有（黑线）的液滴的磁滞回线用振动样品磁强计测量界面层的卡住的MNP-表面活性剂。含有FF₃和FLD的两种示意图，其含有pH4.5的Fe₃O₄-CO₂H MNP（0.5g L^-1），在没有和具有POSS-NH₂配体（1.0g L^-1）的甲苯中浸没。 （B）各个5-mL水滴的滞后环，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配体溶液中。液滴的表面覆盖（SC）是在MNPS组件未卡住的情况下，约为7％~20％。 （C）用pH5.5的0.5g L^-1的MNP浸渍在1.0g L^-1的甲苯中的POSS-NH₂溶液中的单个卡住的水滴的滞后回路和超声处理后同一系统的磁滞回线（图S1和S2）。 （D）液滴的先生和Ms作为液滴体积的函数。在插图中，作为初始液滴体积（单个液滴或声波处理成多个较小液滴的液滴）的函数的剩磁比率Mr / Ms保持恒定在~0.25。 FF，铁磁流体; FLD，铁磁液滴。

图二、用磁偶极相互作用操纵FLD。

（A）磁化液体缸由铝电磁阀产生的磁场梯度吸引。（B）新鲜的非磁化液缸（黑色箭头）的位移作为时间的函数，磁极液体圆筒的北极朝向线圈（红色箭头），和磁化液体棒，南极面向线圈（蓝色箭头）。 极限速度由场梯度和磁矩决定。 箭头表示圆柱的方向相对于初始方向。 （C）两个磁化液体柱之间的偶极相互作用，N-S吸引，N-N和S-S排斥。 比例尺，2毫米。

图三、变形FLD顶视图。

 （A）通过用玻璃毛细管通道机械模塑将球形液滴重塑到圆筒中。 （B）通过使用具有不同体积的液滴，可以形成不同纵横比的液滴。 （C）通过调节FLD圆筒中的水溶液的pH（例如，分别为4.5和9）来重新配置界面干扰和MNP-表面活性剂的未破坏。 比例尺，1毫米。

图四、使用静态和旋转磁场对FLD进行分类。

FLD的混合物，包括阻塞的单层MNP-表面活性剂和FF核（分散的羧基官能化的氧化铁NPs，Fe₃O₄-CO₂H）（褐色球体）的壳; FF液滴包括一种卡住的非磁性CMC表面活性剂（CMCS）的壳，其包封PEG涂覆的氧化铁NPs（Fe₃O₄-PEG）（红色球）的水分散体; FF液滴包含Fe₃O₄-PEG NPs的水分散体，在液滴表面没有卡住的单层（亮绿色球体）。 通过使用（A）容器侧面上的静态条形磁铁和（B）在容器下方旋转的条形磁铁来分离FLD。 [Rhodamine B in CMC-卡住的FF] = 1g L^-1，[FF中的荧光素钠盐] = 1g L^-1。（C）使用油溶性染料在旋转磁场中可视化FLD系综的流体动力学涡流。 [尼罗红在甲苯中] = 1g L^-1。 比例尺，3毫米。

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本文由材料人编辑部踏浪供稿，材料牛编辑整理。