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PNAS: 铁磁液滴机理的研究进展

供稿单位: 64体育 发布时(shi)间: 2021-05-11 浏览次数: 199


常温(wen)条件下,超顺磁(ci)(ci)纳(na)米粒子在液(ye)/液(ye)界面的(de)(de)吸附,能(neng)够(gou)实现任意液(ye)滴(di)形(xing)状的(de)(de)可(ke)控(kong)制备和(he)顺磁(ci)(ci)流体(ti)-铁(tie)磁(ci)(ci)流体(ti)的(de)(de)转变,从(cong)而得到铁(tie)磁(ci)(ci)液(ye)滴(di)。铁(tie)磁(ci)(ci)液(ye)滴(di)在磁(ci)(ci)场下具有可(ke)控(kong)响应(ying)的(de)(de)现象,成(cheng)为近年来在柔性(xing)反(fan)应(ying)器(qi)(qi),软(ruan)体(ti)机器(qi)(qi)人,生物(wu)载(zai)药和(he)能(neng)量转换等领域(yu)的(de)(de)研究(jiu)热(re)点(dian)。因此,深入理解铁(tie)磁(ci)(ci)液(ye)滴(di)的(de)(de)形(xing)成(cheng)机理和(he)磁(ci)(ci)性(xing)特点(dian)对进一步(bu)开拓其(qi)应(ying)用具有至关(guan)重要的(de)(de)意义。


在(zai)(zai)北京市自然科(ke)学(xue)基金(jin)委的(de)(de)大(da)力(li)支持下,64体育软物质(zhi)科(ke)学(xue)与(yu)工程高精尖创(chuang)新中心的(de)(de)科(ke)研人员(yuan)近年来(lai)致力(li)于(yu)(yu)液(ye)(ye)(ye)/液(ye)(ye)(ye)界(jie)(jie)面(mian)(mian)(mian)自组装(zhuang)(zhuang)纳(na)(na)米(mi)(mi)颗(ke)粒(li)(li)(li)功能(neng)化的(de)(de)发(fa)展(zhan),在(zai)(zai)功能(neng)纳(na)(na)米(mi)(mi)材料在(zai)(zai)水油界(jie)(jie)面(mian)(mian)(mian)自组装(zhuang)(zhuang)的(de)(de)理(li)(li)论及应(ying)用方面(mian)(mian)(mian)(Science 2019, 365, 264-267)开展(zhan)了(le)(le)系统的(de)(de)研究(jiu)。近期,中心科(ke)研人员(yuan)在(zai)(zai)铁磁(ci)(ci)(ci)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)的(de)(de)形成机(ji)理(li)(li)方面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)研究(jiu)取(qu)得(de)了(le)(le)新进展(zhan)。他们采(cai)用流体力(li)学(xue)实验(yan)装(zhuang)(zhuang)置,观(guan)测到磁(ci)(ci)(ci)性(xing)纳(na)(na)米(mi)(mi)颗(ke)粒(li)(li)(li)自组装(zhuang)(zhuang)结构(gou)在(zai)(zai)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)表(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)玻璃(li)化转(zhuan)变(bian)的(de)(de)过程,证明了(le)(le)纳(na)(na)米(mi)(mi)粒(li)(li)(li)子(zi)在(zai)(zai)界(jie)(jie)面(mian)(mian)(mian)发(fa)生阻塞相变(bian)(jamming)是(shi)得(de)到铁磁(ci)(ci)(ci)性(xing)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)的(de)(de)基本条(tiao)件。结合(he)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)表(biao)面(mian)(mian)(mian)原位原子(zi)力(li)显微镜及透射电镜的(de)(de)表(biao)征数(shu)(shu)据(ju),能(neng)够清晰表(biao)明磁(ci)(ci)(ci)性(xing)纳(na)(na)米(mi)(mi)颗(ke)粒(li)(li)(li)在(zai)(zai)界(jie)(jie)面(mian)(mian)(mian)形成的(de)(de)短程有(you)序结构(gou)是(shi)其(qi)(qi)铁磁(ci)(ci)(ci)性(xing)的(de)(de)来(lai)源。进一步通过改变(bian)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)的(de)(de)物理(li)(li)化学(xue)环境(jing),如液(ye)(ye)(ye)相pH, 粒(li)(li)(li)子(zi)浓(nong)度(du),粒(li)(li)(li)子(zi)个数(shu)(shu)与(yu)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)积的(de)(de)比值等参(can)数(shu)(shu),纳(na)(na)米(mi)(mi)颗(ke)粒(li)(li)(li)在(zai)(zai)界(jie)(jie)面(mian)(mian)(mian)处的(de)(de)组装(zhuang)(zhuang)速率(lv)及其(qi)(qi)在(zai)(zai)界(jie)(jie)面(mian)(mian)(mian)处的(de)(de)稳(wen)定性(xing)能(neng)够被可控调节,从而得(de)到不同剩磁(ci)(ci)(ci)强度(du)的(de)(de)铁磁(ci)(ci)(ci)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)。分析(xi)比较微磁(ci)(ci)(ci)模拟数(shu)(shu)据(ju)中与(yu)实验(yan)条(tiao)件下液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)的(de)(de)运(yun)动状态(tai),他们发(fa)现(xian)了(le)(le)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)在(zai)(zai)高频磁(ci)(ci)(ci)场下具有(you)震荡行为,原因在(zai)(zai)于(yu)(yu)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)所受磁(ci)(ci)(ci)矩与(yu)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)本身磁(ci)(ci)(ci)极(ji)与(yu)外(wai)界(jie)(jie)磁(ci)(ci)(ci)极(ji)的(de)(de)夹角有(you)关(guan),由于(yu)(yu)液(ye)(ye)(ye)滴(di)(di)的(de)(de)旋转(zhuan)速度(du)慢于(yu)(yu)外(wai)界(jie)(jie)磁(ci)(ci)(ci)场的(de)(de)速度(du),两者速度(du)的(de)(de)不同步导致了(le)(le)周(zhou)期性(xing)的(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)矩与(yu)角速度(du)变(bian)化。


图1   铁磁(ci)(ci)液(ye)滴的磁(ci)(ci)性能(neng)变化

另外,模拟(ni)的(de)(de)(de)结(jie)果也显示(shi)了(le)铁(tie)(tie)(tie)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)液滴表面(mian) “多层”组(zu)(zu)装的(de)(de)(de)结(jie)构(gou)特(te)点,液滴的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)能(neng)会(hui)(hui)随着粒子(zi)个数(shu)与液滴表面(mian)积的(de)(de)(de)比值线性(xing)增(zeng)(zeng)加(jia),这(zhei)证明了(le)内部分(fen)散的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)粒子(zi)也会(hui)(hui)在(zai)外界(jie)(jie)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)场以及(ji)界(jie)(jie)面(mian)剩磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)下,与界(jie)(jie)面(mian)处的(de)(de)(de)纳米(mi)粒子(zi)发生耦(ou)合作(zuo)用(yong),从而增(zeng)(zeng)强整个液滴的(de)(de)(de)剩磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)强度。通过(guo)研究非磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)粒子(zi)的(de)(de)(de)加(jia)入(ru)对铁(tie)(tie)(tie)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)液滴磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)影(ying)响(xiang),实(shi)(shi)验发现,加(jia)入(ru)非磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)粒子(zi)后,在(zai)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)粒子(zi)浓(nong)度即(ji)使较(jiao)(jiao)低的(de)(de)(de)情况(kuang)下,也可形成铁(tie)(tie)(tie)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)液滴,这(zhei)是由于(yu)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)粒子(zi)在(zai)界(jie)(jie)面(mian)组(zu)(zu)装形成的(de)(de)(de)聚集体(ti)结(jie)构(gou),有(you)效(xiao)地增(zeng)(zeng)强了(le)液滴的(de)(de)(de)剩磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)强度。本文通过(guo)结(jie)合实(shi)(shi)验和模拟(ni)手段,较(jiao)(jiao)系统(tong)地研究了(le)铁(tie)(tie)(tie)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)液滴磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)影(ying)响(xiang)条(tiao)件,阐述了(le)铁(tie)(tie)(tie)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)液滴表面(mian)的(de)(de)(de)微观磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)组(zu)(zu)装体(ti)的(de)(de)(de)结(jie)构(gou)特(te)点,有(you)利于(yu)深入(ru)理解(jie)铁(tie)(tie)(tie)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)液滴的(de)(de)(de)运动(dong)及(ji)形成机(ji)理。


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