东南大学赵远锦Adv. Mater.综述：柔性磁流体的设计和应用

【引言】

具有响应特征的功能材料从科学研究到实际应用都有着极高的应用价值。上个世纪以来，科研人员为开发微纳尺度的磁流体作出了许多努力，以期实现对化学制剂、光照、温度、pH值、机械力和磁力等外加激励的敏捷响应。其中广为研究的一种响应材料就是磁流体。广义来讲，具有单个磁畴的铁磁纳米颗粒的胶体悬浮液处于某种载体流体中，可统称为磁流体。磁流体最显著的特征是结合了超顺磁性质和流体一般表现，不仅使磁流体在相对弱的磁场中表现出快速的强磁响应，且使磁流体具有磁控、柔性、可逆流变、热学、光学等物理性质，与磁流体与其他材料的相容性结合起来，使得磁流体在众多领域都有潜在应用。

【成果简介】

磁流体也称作铁磁性颗粒悬浮液，是一类具有优异磁性响应的材料，因此在工业应用和科学研究领域受到越来越多的关注。由于其具有快速的磁相互作用、灵活的流动性和可调节的光学/热学性质等出色的特点，在材料科学、物理学、化学、生物医药和工程领域得到了广泛应用。近日，东南大学的赵远锦教授（通讯作者）在Advanced Materials上发表了题为“Flexible Ferrofluids: Design and Applications”的综述文章，系统介绍了柔性磁流体器件近年来的设计、开发进展。本文采用一种全面、纵深的视角，从材料制备、液滴操控、生物医药、能源、机械领域的应用几个方面来深入理解磁流体，并讨论了当前存在的挑战，对未来作出展望。

【图文导读】

图1：磁流体液滴对外加磁场的动力学响应。

(a)磁流体液滴在外加磁场下分割的示意图（由1至4强度递增）；

(b)磁流体液滴分割的光学图像；

(c)磁流体母液滴分割后复杂形式的示意图；

(d)母液滴分割的多重光学图像。

图2：外加磁场下磁流体的行为调控。

(a)增强外加磁场下磁流体液滴阵列的行为；

(b)旋转外加磁场下磁流体液滴阵列的行为；

(c)基于磁流体的制备过程示例的示意图；

(d)磁流体序列衍生的聚合物模板的光学图像；

(e)磁流体序列衍生的聚合物模板的SEM图像；

(f-h) 受猪笼草齿毛启发的基于磁流体配合模板的各向异性表面。

图3：磁流体作为载体溶液的应用。

(a)两组元悬浮液中颗粒的组合；

(b)三组元悬浮液中颗粒的组合；

(c)表示浸入磁流体中的非磁性粒子周围外加磁场分布的模拟结果，以及这些非磁性粒子响应行为的示意图；

(d)纳米管在无磁场作用下随机展开(i)和磁场下取向有序(ii)的示意图。

图4：多种形状的磁响应软体机器人。

(a)具有多个纤毛状足的磁响应软体机器人；

(b)具有磁响应的弹性体柱状序列；

(c)软体螺旋形微型马达的制备方法和磁场驱动下的旋转行为；

(d)应用于手风琴、升降机和蠕动泵的磁性弹性体薄膜光学图像；

(e)磁性响应薄片的示意图和SEM图像；

(f)直写成型技术制备得到的复杂三维图样示例。

图5：铁磁颗粒衍生材料作为光子材料的应用。

(a)包含乙二醇/铁磁粒子液滴的磁响应PDMS复合物薄膜的光学图像，及其在外加磁场下的变色性质；

(b)通过M墨水产生多色高分辨图样的过程；

(c)M墨水生成的图样示例。

图6：受限空间中的铁磁颗粒自组装行为。

(a)颗粒在球面附近形成直链的俯视SEM图像；

(b)当暴露在平行于观察方向的磁场中，处于“开启”状态的液滴的光学图像(i-iii)，以及外加磁场垂直于观察方向时，处于“关闭”状态的液滴的光学图像(iv-vi)。

图7：基于磁流体的三维超顺磁颗粒的制备。

(a)表示超顺磁颗粒用沉积定向式自组装从而组装成不同形状的示意图；

(b)在不同铁磁性粒子浓度和磁场强度下，形状各异的超粒子；

(c)超粒子的分解和组装。

图8：含磁流体的弹性体表面。

(a)外加磁场诱导的磁响应表面状态切换的示意图；

(b)在PDMS，玻璃，PMMA，铝和纸张表面制备得到的磁响应表面，这些材料作为捕捉、运输和释放液滴的机械手；

(c)含磁流体的多层弹性体表面上液滴运输的示意图和数码图像。

图9：磁流体输注的复合物表面。

(a)一种移动梯度磁场作用下，磁流体输注的纳米序列表面的液滴移动行为；

(b)宏观拓扑学FLIPS上采用不同的磁体/基底距离d的实验设置和水液滴的聚集行为；

(c)FLIPS上磁流体包裹液滴和未包裹液滴的混合行为。

图10：磁性连续流变磁流体。

(a)细胞封装和分离过程的示意图和图像；

(b)通过“蛇形梯(Snakes-and-Ladders)”磁性微流体平台，高分子电解质包覆的聚乙烯吡咯烷酮稳定化的磁性液滴。

图11：表面能势阱(SET)激活的磁数字化微流体平台。

(a)SET激活的磁数字化微流体平台上的液滴操控；

(b)通过SET激活的磁数字化微流体平台实现多路复用基因判别；

(c)通过SET激活的磁数字化微流体平台实现连续稀释；

(d)负载铁磁粒子的液滴通过磁性轨迹进行调控。

图12：磁性液体弹球。

(a)磁性液体弹球的制备；

(b)磁性液体弹球对磁场的响应；

(c)基于磁性液体弹球的“液滴内实验室”的示意图；

(d)具有两面粒子构型的液体弹球的表征。

图13：磁控门纳米流体。

(a)磁性门流体的原理和应用；

(b)液滴设置/重置触发器；

(c)不同振动模式的示意图。

图14：磁流体用于核磁共振成像的细胞示踪。

(a)磁性标记的中性粒细胞制备和示踪过程示意图；

(b)MRI成像显示磁性标记中性粒细胞修饰的肿瘤位置具有很强的衬度增强。

图15：磁流体用于癌症治疗的靶向给药。

(a)药物-铁磁粒子通过共价键捆绑的示例；

(b)示意图表示铁磁粒子为胶囊的水凝胶中空球的制备；

(c)大型多功能脂质体结构的示意图。

图16：磁流体在组织工程学中的应用。

(a)细胞的三维磁性悬浮;

(b)通过磁性对齐的海藻酸骨架的制备示意图和相应的成肌细胞培养；

(c)组织培养中细胞搭载用微尺度水凝胶的空间编码。

图17：磁流体在强化传热中的应用。

(a)磁流体的热磁对流示意图；

(b)TENG和EMG组件的操作原理示意图；

(c)基于磁流体的TENG_EMG杂化系统的输出信号。

图18：磁流体应用于磁光器件。

(a)铁磁柱体暴露于强垂直磁场形成的有序六方结构；

(b)磁流体薄膜在平行磁场下的示意图；

(c)铁磁粒子修饰的三维石墨烯气凝胶在磁场作用下的可逆压缩。

图19：磁流体在多相分离中的应用。

(a)在毛细管微流体器件中制备石墨烯氧化物包封的单个、两个、三个、四个磁性多孔球体核；

(b)用石墨烯氧化物包封的磁性多孔球吸收的硅油（黄色染料）漂浮于水的表面；

(c)吸收的氯仿（红色染料）沉降到水下。

图20：基于磁流体的FLIP结构在工程中的应用。

(a)FLIP的吸附能力；

(b)FLIP的泵吸能力；

(c)生物薄膜从FLIP上脱离。

【小结】

本篇综述对新兴的磁流体做了概括性总结，内容涵盖磁流体的新型设计和广泛的应用。从其磁响应性质出发，作者讨论了磁流体在微成型和微观粒子组织中的用途，强调了开发磁性激励软物质所做的努力，总结了铁磁粒子自组装衍生的光子结构。此后，作者概括了磁流体和特殊设计表面或微流体系统的集成，二者都体现了流体或液滴操控的优越性。作者还强调了磁流体在体外检测、体内诊断和治疗中的实际价值，特别是在实时、对生物标记物高灵敏度探测、细胞示踪、分子成像、基因治疗等这些领先的研究工作。文章对磁流体在能源和工程领域的作用（例如热传递、能量收集和吸收油状物）也作了讨论。尽管已有的成果引人瞩目，阻碍扩展磁流体应用范围的重要问题还依然存在。首先，对磁流体的基础研究仍然匮乏，磁流体的粒子结构、形状和元素组成对其磁性、动力学和磁热效应的影响目前仍知之甚少。此外，铁磁粒子制备技术依然存在着进步空间，制备均匀、多分散的铁磁粒子的方法还在探索中。此外，由于磁场对磁流体准确调控必须处于小空间限制内，目前还有待实现磁流体在宽范围的精确控制。第二个问题是对磁流体在活体内的生物安全性的考虑。在疾病治疗方面，磁流体的靶向能力还不足。除此之外。磁激励微纳机器人系统的报道中提到，其中多数只能在相对简单的活体液态环境中表现简单运动模式，而实际情况要复杂得多。因此，需要磁性机器人可以适应黏性复杂流体的微结构，并能开展多种复杂任务。此外，液滴沉积、液滴内不均匀物质和有机组成的效能损失都是需要考虑的问题。

文献链接：Flexible Ferrofluids: Design and Applications（Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201903497）

本文由Isobel撰稿。