奇异的磁性液体

七、奇异的磁性液体

国际空间站上的航天员正在研究一种奇怪的液体，它可在机器人的“血管”中流动（如图6-32所示），这种液体还能帮助建筑物抵抗地震。如果不是亲眼看到的话，你可能不会相信这一切：一滴灰色的水从一个烧杯中流出，当它正流向桌子，但是还没有到达桌面时，空中发出一阵低沉的声音，这是有人接通了电磁铁。这时，这滴水颤动着，变得很黏稠。当电磁场作用停止，嗡嗡声逐渐平息后，这滴水又恢复原样，流向桌面。这是怎么回事?原来它被磁化了!这种液体被科学家们称为“磁流变液”（Magneto-Rheological Fluids，MRF）。它可以在磁场的作用下黏度加大，改变形状或形态（如图6-33所示）。

图6-32　通过控制磁流变液来转动关节和四肢的未来机器人

奥迪跑车和凯迪拉克等汽车已经使用磁流变技术的减震器。当电压变化引起磁场强度的变化时，会导致磁流变液的黏度发生变化，从而调节减震器的弹力和硬度。它的变化频率可以达到每秒几千次以上。即使路面再起伏不平，车辆行驶起来还是非常平稳。在日本新兴科学国家博物馆和中国洞庭湖桥上都安装了类似作用机理的装置，它们可以抵消由于地震和海啸引起的震动。

磁流变除用于运动减幅，还有更多使人感到惊奇的潜在应用价值。例如，一旦有一天磁流变液流过机器人的“血管”时，就会使机器人的四肢和人一样活动自如（如图6-32所示）。但要实现以上的设想，还有很多问题需要解决。例如，如何控制磁场，使磁流变液中粒子按照人们的要求排列和传递?磁流变液的材料组分也是重要的问题。为了更好地将该技术应用到各个领域中，还需要了解的是关于磁流变液的基本物理学特点。

图6-33　将磁流变液放到磁场液体中的磁颗粒排列成串

在地球上，要了解一些物理现象的真正起因是有困难的。因为由于地心引力的作用，物体本质的一些现象被扭曲了。科学家们在这种情况下进行研究，得出的往往是错误的结论。因此，美国的科学家盖斯特和同事们想到将这些液体送到太空中进行研究。在太空微重力的环境下，重力的作用基本消除，就可以了解到这些物理特性的本质了。于是，盖斯特与杰克研究中心的科学家和工程师制定了一项太空磁流变液的研究计划。

磁性液体是一种新型功能材料，顾名思义，它是一种液态的磁性材料。在航空航天、仪器仪表、各种转动密封、减震系统以及红外吸收器件方面都有广泛用途。通常它不显示磁性，只有在外加磁场中才显示超顺磁性。磁性液体从构造方面来说实际是一种磁性超微粒子的溶胶体，磁性超微粒子尺寸在l0nm左右，表面包覆一层界面活性剂分子，能够均匀分散悬浮在某种基液中构成溶胶，固-液浑然一体，即使在重力、离心力、磁力作用下也不互相分离，而是作整体运动。磁性液体是由磁性超微粒子、基液和界面活性剂三者组成的，后两者构成载液（如图6-34所示）。在无外磁场时，由于超微磁性粒子在载液中剧烈的布朗运动，磁矩呈无规则分布。

图6-34　磁性液体的模型

磁性液体最初是在1965年美国宇航局为解决宇宙服的头盔转动密封问题而研制成功的。当时用磁铁矿石粉放入油液中再加油酸作界面活性剂。此混合物在球磨19天后，经离心分离得到200 ml，磁化强度约4×10⁻²T的铁氧体型磁性液体。以后研究采用的化学溶液反应法，制取速度大大加快，这是第一代磁性液体产品。1987年日本采用真空蒸发冷凝并经浓缩工艺制法研制成功的金属磁性液体为第二代产品，其饱和磁化强度达到12×10⁻²T。

综上所述，制取金属磁性液体必须具备两个条件。首要条件是要能制备平均粒径l0nm左右的铁磁性金属超微粒子，这是因为金属与基液油两者的比重相差约9倍时，超微粒子才能克服重力，依靠布朗运动悬浮在基液中；但粒子又不能太小，否则磁性下降太多。制取金属磁性液体的充分条件是要使用界面活性剂来包覆每一个超微粒子，产生位阻效应来阻止超微粒子因巨大表面能而自发地互相团聚的趋势。而磁性液体的饱和磁化强度则取决于磁性微粒子的材料性质及其在载液中的百分含量。

当磁性液体注入扬声器的音圈气隙时，能对音圈的运动起一定的阻尼作用，并能使音圈自动定位，同时音圈所产生的热量可以通过磁性液体耗散，因此加入磁性液体可以提高扬声器的承受功率，在同样结构条件下可使输入功率提高两倍，同时能改善频率响应，提高保真度；利用磁性液体可用做旋转与线性阻尼器；此外还可利用磁性液体的表观比重随外磁场的变化而改变的特点，来筛选比重不同的非磁性矿物。这些都属于传统应用了，此外，磁性液体还在许多新领域内有着广泛的应用前景。如：磁性液体印刷、磁性液体薄膜轴承、磁性液体人工发热器、磁性液体涡轮发电、光学开关、磁性液体刹车等等。近年来，磁性液体在医药中的应用，如对癌症病人的红血球细胞和白血球细胞的磁流体分离、肿瘤的磁栓塞封死治疗、磁流体在人体内受交变磁场的作用产生热量而实现的局部热疗和全身热疗、磁性靶向药物载体、用于视网膜修复手术的硅氧烷磁流体、磁示踪剂以及血流的磁测量等。可以预计，今后还可开拓出更多更新的用途。