据海莉·班尼特报道,磁性液体正在蓬勃发展,但并不像其发明者曾经想象的那样

位于美国克利夫兰的Nasa刘易斯研究中心的火箭科学家们夜以继日地工作。那是1963年,他们正在测试数百种不同的燃烧室设计和液氢发动机的喷射器,试图解决燃烧稳定性的问题这可能会阻碍将宇航员送上月球的努力。所罗门·“史蒂夫”·帕佩尔(Solomon ' Steve ' Papell)曾是美国陆军航空队(army Air Corps)的一名领航员,后来成为机械工程师,当时他正在刘易斯大学研究一个液体推进剂的特殊问题。当时,人们还不清楚,当发动机需要重新启动时,如何将在零重力状态下晃动的液体燃料引导到燃烧室。帕佩尔试图通过向火箭燃料中添加磁性粉尘来解决这个问题,他提出可以用强磁铁将燃料吸入舱内。

图为史蒂夫·帕佩尔

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美国宇航局科学家史蒂夫·帕佩尔认为,磁尘可以帮助在零重力下控制火箭燃料

可以说,帕佩尔的方法奏效了,但从未成功。他解释说,他的解决方案是在燃料中加入碾碎的氧化铁颗粒,但这并不能让火箭科学家们接受,因为这会改变火箭的效率曼弗雷德Ehresmann他是德国斯图加特大学空间系统研究所的研究员。埃雷斯曼说:“因为这些颗粒,燃烧就不理想了。”这是它从未被应用的原因之一。然而,帕佩尔确实收到了一份1965年专利因为他的磁流体,结果是有一些有趣的属性而且不仅仅是在零重力的情况下。

在磁场之外,所谓的“铁磁流体”会表现出你可能期望的任何液体的行为,但如果将其容器放在强磁铁旁边,它的表面似乎会变成固体,沿着磁场线有锯齿状的尖峰。这种现象被称为罗森威格不稳定性,以罗纳德·罗森威格命名。罗森威格是现已退休的美国化学家,他的大部分职业生涯都致力于理解铁流体和磁流体的行为。铁磁流体也可以倒在由超导体悬浮的磁体上悬浮:悬浮在半空中

所有这些奇怪的现象使得铁磁流体非常适合用于炫技的科学演示和艺术设施就像Ehresmann指出的那样,即使它们不能成为火箭燃料,大多数现有的应用往往是不可燃的。在过去的40年里,一种广泛的应用是用于旋转部件的液体密封,例如在计算机硬盘中,它们由磁铁保持在适当的位置,并在很少振动或噪音的情况下平稳、高速运行。“一个下降使这些装置成为可能;罗森斯韦格在他1985年的书中写道:“如果没有这种战略性的下降,这些设备就无法正常工作。Ferrohydrodynamics.然而,在过去的十年里,科学界对铁磁流体的兴趣再次上升,在生物医学、液体机器人、塑料回收和环境修复方面有了新的应用。

磁性药物

真正的铁磁流体是一种磁性胶体;一种稳定的磁性颗粒悬浮在油基或水基的载体液体中,由表面活性剂中的氧化铁研磨或通过化学合成而成磁性颗粒足够小,通常在3-15nm之间,可以在磁场外通过布朗运动移动,不会聚集在一起或沉淀下来。当被磁铁吸引时,就像帕佩尔提出的把燃料拉进燃烧室的建议一样,这些微小的颗粒会移动它们的载体液体,这样悬浮液就会像液体一样流动。然而,由于这些粒子是顺磁体,磁体并没有给它们长期的顺序,一旦磁场被移除,它们就会像空气中的尘埃一样四处漂浮。

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铁磁流体奇异而奇妙的特性是很好的演示

英国斯塔福德郡基尔大学(Keele University)生物医学纳米物理学专家尼尔·托林(Neil Telling)解释说,事实上,这些液体可以通过磁铁进行远程控制,已经在生物医学领域得到了应用。泰尔研究的是一种被广泛讨论的技术,称为磁性纳米颗粒热疗,长期以来,人们一直承诺通过远程加热磁性纳米颗粒,然后摧毁癌细胞,来消灭体内深处的肿瘤。他说:“你通过磁场提供能量。”“(纳米颗粒)无法储存能量,所以最终会以热量的形式释放出来。“人们认为癌细胞比健康细胞更容易受热,研究人员通常把温度设定在比体温高几度的40-42摄氏度左右。”

一种名为Nanotherm的治疗性铁磁流体,由柏林公司开发MagForce2011年,该药物在欧盟范围内被批准用于脑肿瘤患者的热疗治疗,尽管目前只有5家诊所可以使用。患者躺在一个交变磁场发生器中,该发电机将能量集中在施加铁磁流体的大脑区域。美国的一项前列腺癌试验也在进行中,今年2月公布了10名患者的阳性结果。不过,这项技术不仅被提出用于癌症治疗,在2019年,特林的团队成功地杀死了寄生虫这首次导致了热带疾病利什曼病的毁容病变。最近,在2021年,俄亥俄州肯特州立大学的研究人员报告说清除与阿尔茨海默病相关的淀粉样斑块在人类脑细胞中。

显示铁磁流体小瓶的图像

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MagForce公司希望利用铁磁流体治疗癌症

然而,让磁性纳米颗粒在真实组织中以与实验室测试相同的方式加热仍然存在问题。“当你真正尝试在肿瘤中使用(它们)时,由于当地的生物环境,你会得到不同的反应,”托林说。他解释说,部分原因是铁磁流体中的磁性纳米颗粒需要为应用量身定制——迄今为止测试的许多纳米颗粒已经被批准应用于磁共振成像(MRI),但并不特别适合于热疗。

变形

潜在的生物医学应用也依赖于铁磁流体的液体性质来输送药物,并通过狭窄的空间挤进生物组织。2020年,中国哈尔滨哈尔滨工业大学的谢辉团队发表了一篇论文展示由铁磁流体液滴制成的液体微型机器人的研究.他们的液滴机器人是以油为基础的,因为他们设想在人体的水样液体中应用,液滴不会与水样液体混合。它们由表面张力稳定,但使用磁力重新配置。

通过对小型电磁铁阵列的巧妙编程(或通过永磁体的运动),该团队使他们的铁磁流体微型机器人能够分裂、合并、改变形状,并像牛一样围捕精致的水凝胶球。这些技能意味着它们可以携带液体货物来演示药物输送,并通过4毫米宽的代表胆管或导管的管道。他们写道:“铁磁液滴机器人的一个主要优势是,它可以挤过狭窄的空间,进入封闭的区域,对周围环境的损害最小,这是以前总体尺寸相当的软体机器人无法达到的。”然而,他们使用现成的铁磁流体,机器人和电磁阵列之间的距离只有10毫米——需要更强的磁铁来控制更大的距离。

液体机器人将能够对环境的变化做出反应

Jitka Cejkova捷克布拉格化学与技术大学的化学机器人研究员说,液滴作为机器人的主要优势之一是它们能够根据所处环境改变形状。尽管她研究的是非磁性液滴,但她和中国的研究小组一样,从自然界活细胞的形式中获得灵感。然而,她说她“不喜欢铁磁流体在生物组织中的应用”,这表明液滴在体内的表现不像在实验室研究中那样。

相反,Cejkova打算利用液滴的变形能力来修复环境。她说:“通过形状变形或触角伸长,细胞可以到达多个地方或难以到达的区域。”“这一现象对我的研究非常有启发,液体机器人能够对环境的变化做出反应,例如,可以更好地吸收环境中的有害物质。”她暗示拨款申请正在筹备中。

可以说,许多生物医学铁磁流体的用途可能更多地取决于纳米颗粒本身的特性,纳米颗粒可以被靶向分子包裹和修饰,而不是胶体。然而,在荷兰,铁磁流体已经在环境领域找到了商业应用,在这里,流体的整体特性非常重要。阿姆斯特丹塑料回收使用一种称为磁密度分离(MDS)的单步方法来分类塑料回收,其中来自废物来源的片状塑料流经电磁铁上的铁磁流体。这种磁铁吸引铁磁流体,在液体内建立密度梯度,并排斥非磁性薄片。乌得勒支大学的研究人员解释说:“所以在流体内部,这不是一个简单的下沉/漂浮(场景)。本白尾海雕他是一位为MDS测试铁磁流体的物理化学家。“不同密度的不同材料会漂浮在不同的高度。“然后,不同的组分被分流器分开,生产出高纯度的尼龙、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和其他塑料。”

分型塑料

对于大型分离机来说,这个过程需要很强的磁场和磁性纳米颗粒,它们非常稳定地悬浮在铁磁流体中,这样它们就不会迅速冲向磁铁并沉积出来。研究小样本,Erné 2020年的研究表明在10特斯拉(比最强大的研究级MRI系统还要强)下,柠檬酸稳定铁就可以实现这一目标2O3.纳米颗粒是在他的实验室里制备的,但他说,理想情况下,这些纳米颗粒的制造成本需要更低。

目前还缺乏用于供应大规模MDS的商业铁磁流体。Erné说:“世界上只有一家公司能够生产立方米的铁磁流体,作为一家磁密度分离公司,你要依赖于他们的交货时间、价格、质量控制等,所以这就是为什么该公司想自己做这件事。”Umincorp该公司已经将相当于100万居民的塑料垃圾加工成99%纯度的塑料产品,可以“直接”用于新产品。它的目标是制造“圆形塑料”。

我可以从eBay上买到非常非常细的氧化铁粉

再往北一点,在荷兰城市格罗宁根,菲昂·费雷拉(Fionn Ferreira)正在研究如何处理进入废水系统的更微小的塑料废料。2019年,他利用铁磁流体从水中提取微塑料的概念获得了谷歌科学博览会奖。利用石油和塑料之间简单的非极性相互作用,他证明了他可以通过混合粗糙的油基铁磁流体,用磁铁简单地将微塑料从受污染的水中提出来。现在是一名化学专业的学生格罗宁根大学他当时正在卧室里工作,在那里他用微米大小的氧化铁颗粒(这意味着它不是“真正的”铁磁流体)和食用油制造了这种铁磁流体。他回忆说:“我实际上是从eBay上买到氧化铁粉的。”“我得到了一个非常非常好的版本,然后,通过猜测,剪裁和不同粘度的油,我可以用它来形成一个相当强的悬浮液,在我的测试中,这意味着我有足够的时间来使用它……在最终它会破裂之前。”“只要稍微搅拌一下,塑料微粒就会被油滴消耗掉,然后就会被带出来。”费雷拉希望在工业过程中复制这一过程。

费雷拉说,他正在与足迹联盟(Footprint Coalition)拨款和工程公司Stress engineering合作,试图优化他的系统,制造出可用于污水处理厂磁性去除微塑料的设备。在这里,他建议最好还是避免使用真正的铁磁流体,因为与纳米颗粒相关的潜在环境影响。含有更大颗粒的黑色氧化铁(Fe3.O4),他说不用担心,因为这些物质在水中很常见,不溶于水,无论如何都可以用磁铁擦掉。使用这些更大的氧化铁颗粒还有另一个优势,正如费米实验室的物理学家阿登·华纳(Arden Warner)指出的那样:“就微塑料而言,你会得到更牢固的键,因为有更多的空间可以让微粒附着。”

华纳领导着一个科学家联盟自然科学他开发了一种利用磁铁清理漏油的装置。他的方法包括在泄漏的石油中注入微米大小的铁3.O4粒子来创造他所谓的“磁流变液”。这些颗粒还不够小,不能像铁磁流体那样以布朗方式悬浮,而且没有表面活性剂——避免将合成化学物质应用于水中——但这些流体仍然可以被磁场引导。范德华力的强度刚好能控制住油,让磁化流体以一种令人惊讶的方式表现出来。沃纳说:“这些磁性粒子沿着磁场的方向排列,并与磁场成直角。”“它的粘度增加了,这意味着你几乎可以把它冻结在原地,然后把它从表面提出来。”“在新泽西州的石油泄漏研究和可再生能源测试设施进行的全面测试表明,该技术分离油和水的效率高达97%。该系统使用传送带将油从水面上输送出去,并分离出氧化铁进行再利用。虽然纳米磁性铁矿也可以,但华纳说,当相互作用较弱时,氧化铁更容易被提取出来。

甚至帕佩尔关于铁磁流体的最初提议也可能在某种程度上仍然可行。2018年,由Ehresmann领导的一个学生团队以吉祥的项目名称向国际空间站发送了一个三明治盒大小的包含铁磁流体的小测试单元。Papell’(使用脉冲电磁铁进行液体重新定位的泵应用)。这个想法是为了证明铁磁流体的用途不是作为燃料,而是在非机械泵系统中——在太空中,机械部件损坏的机会越少越好。正如团队成员Franziska Hild解释的那样,他们与他们的小盒子连接,用磁阵列在微小的管道中移动铁磁流体。这种泵可用于长寿命的冷却或通风系统。

然而,Ehresmann目前的项目是基于铁磁流体的姿态控制系统。现有的系统利用动量轮旋转速度的变化来改变航天器的轨道。这些轮子的制造非常精确,但众所周知,几年后仍然会坏掉,代价巨大。埃雷斯曼解释说:“我们使用旋转磁场,让液体在其中旋转,而不是转动的机械车轮。”虽然帕佩尔的铁磁流体燃料从未成功,但磁性液体似乎并没有失去吸引力。

海莉·贝内特是英国布里斯托尔的科学作家