铁磁流体的兴起

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)的领航员，后来成为一名机械工程师，当时他在刘易斯大学研究液体推进剂的一个特殊问题。当时还不清楚，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，他提出可以使用强力磁铁将燃料吸引到火箭燃料室。

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磨碎的氧化铁颗粒，但火箭科学家对此并不满意，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。Ehresmann说:“由于这些颗粒的存在，燃烧不理想。”这就是它从未被应用的原因之一。然而，帕佩尔确实收到了一封感谢信1965年专利因为他的磁流体，结果证明有一些有趣的属性——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”的行为就像你所期望的任何液体的行为一样，但是如果把它的容器放在一个强磁铁旁边，它的表面就会变成固体，锯齿状的尖刺沿着磁场线指向。这种现象被称为罗森斯威格不稳定性，以罗纳德·罗森斯威格的名字命名。罗纳德·罗森斯威格是一位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质和磁流体的行为。铁磁流体也可以倒在被超导体悬浮的磁体上悬浮在半空中．

所有这些奇怪的现象使得铁磁流体非常适合用于展示科学演示和艺术设施正如Ehresmann指出的那样，大多数现有的应用都是不可燃的。在过去的40年里，一种广泛的应用是在旋转部件的液体密封中，比如在计算机硬盘中，它们通过磁铁保持在适当的位置，在很小的振动或噪音下实现平稳、高速的运行。“一个下降流体使这些装置成为可能;罗森斯威格在1985年的书中写道，如果没有这种战略性的放弃，这些设备就无法正常工作Ferrohydrodynamics．然而，在过去的十年中，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出现了新的应用。

磁性药物

真正的铁磁流体是磁性胶体;磁性微粒悬浮在油基或水基载体液体中的磁性微粒的稳定悬浮，由表面活性剂中的氧化铁研磨或化学合成而成磁性颗粒足够小，通常在3 - 15纳米之间，可以在磁场外通过布朗运动运动，不会聚集在一起或沉降。当被磁铁吸引时，就像帕佩尔提出的将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，因此悬浮液就像液体一样流动。然而，由于粒子是顺磁体，磁铁不会给它们长期的排序，一旦磁场被移除，它们就会像空气中的尘埃一样四处漂浮。

英国斯塔福德郡基尔大学的生物医学纳米物理学专家Neil Telling解释说，事实上，这些液体可以用磁铁远程控制，已经在生物医学领域得到了应用。Telling致力于一项被广泛讨论的技术，称为磁性纳米粒子热疗，长期以来，人们一直承诺通过远程加热磁性纳米粒子来摧毁身体深处的肿瘤，然后摧毁癌细胞。他说:“你通过磁场提供能量。”“(纳米颗粒)不能储存能量，所以它最终以热量的形式释放出来。“据认为，癌细胞比健康细胞更容易受到热量的影响，研究人员通常将温度设定在40-42摄氏度左右，比体温高几度。”

一种叫做Nanotherm的治疗铁磁流体，由柏林研发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，尽管目前仅在5家诊所可用。病人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。美国一项针对前列腺癌的试验也在进行中，今年2月宣布在10名患者身上取得了积极的结果。然而，这项技术不仅仅是作为一种癌症治疗方法提出的，在2019年，泰尔的团队成功地杀死了寄生虫这是第一次在热带疾病利什曼病中引起毁容的病变。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老年痴呆症相关的淀粉样斑块在人类脑细胞中。

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。泰尔说:“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。”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，许多测试的纳米颗粒已经被批准用于磁共振成像(MRI)，但并不特别适合热疗。

变形

潜在的生物医学应用也依赖于铁磁流体的液体特性来输送药物，并通过狭窄的空间挤压到生物组织中。2020年，中国哈尔滨工业大学谢辉的团队发表了一篇论文研究展示由铁磁流体液滴制成的液体微型机器人．他们的液滴机器人是以油为基础的，因为他们设想将其应用于人体的含水液体中，而液滴不会与这些液体混合。它们通过表面张力稳定，但通过磁力重新配置。

通过对小型电磁体阵列的巧妙编程(或通过永磁体的运动)，该团队让他们的铁磁流体微型机器人分裂、合并、变形，并像牛一样把精致的水凝胶球圈起来。这些技能意味着它们可以携带液体货物来演示药物输送，并通过代表胆管或导管的4毫米宽的管道导航。他们写道:“铁磁流体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，对周围环境的破坏最小，这是以前整体尺寸相当的软机器人无法达到的。”然而，他们使用的是现成的铁磁流体，他们的机器人和电磁阵列之间的距离只有10毫米——要控制更远的距离，就需要更强的磁铁。

液体机器人将能够对环境的变化做出反应

Jitka Cejkova他说，液滴作为机器人的主要优势之一是它们能够根据环境改变形状。虽然她使用的是非磁性液滴，但她像中国的团队一样，从大自然中以活细胞的形式获得灵感。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与实验室研究中的表现不同。

相反，切科娃打算利用她的液滴在环境修复中的变形能力。她说:“通过形状变形或触手伸长，细胞可以到达多个地方或难以接近的区域。”“这种现象对我的研究非常有启发作用，液体机器人能够对环境变化做出反应的想法可以用于更好地吸收环境中的有害物质。”她暗示正在申请拨款。

可以说，许多生物医学铁磁流体的效用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公司使用一种称为磁密度分离(MDS)的单步方法对塑料回收进行分类，其中来自废物来源的片状塑料通过电磁铁上的铁磁流体流动。这个磁体吸引铁磁流体，在液体内部形成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，它不是一个简单的下沉/漂浮(场景)。本白尾海雕他是一位为MDS检测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。不同的馏分在分离过程中被分离出来，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

对于大型分离器，这一过程需要强大的磁场和磁性纳米颗粒，这些纳米颗粒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淀出来。处理小样本，欧内斯特2020年的研究在10特斯拉的强度下——比最强大的研究级MRI系统还要强——用柠檬酸稳定的铁就可以实现₂O_3.纳米粒子是在他的实验室里制备的，但他说理想情况下，这些纳米粒子的制造成本需要更低。

目前也缺乏商业生产的铁磁流体来供应大规模的MDS。“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，所以这就是为什么这家公司想自己做这件事，”厄恩奈尔说。Umincorp该公司已经将相当于100万居民的塑料垃圾处理成它声称纯度为99%的塑料产品，可以“直接”用于新产品。它的目标是创造“循环塑料”。

我在eBay上买到了非常非常好的氧化铁粉

再往北，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微小塑料碎片。2019年，他因使用铁磁流体从水中提取微塑料的概念而获得谷歌科学博览会奖。利用石油和塑料之间简单的非极性相互作用，他证明了他可以简单地用磁铁将微塑料从污染的水中提取出来，通过混合粗糙的油基铁磁流体。现在是一名化学专业的学生格罗宁根大学当时，他正在自己的卧室里工作，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)和食用油制作了铁磁流体。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，通过一些猜测，剪裁和不同粘度的油，我可以用它来形成一个相当强的悬架，在我的测试中，这意味着我有足够的时间来使用它，在它最终破裂之前。”“只要稍微搅动一下，微塑料碎片就会被油滴吞噬，这样它们就可以被带走。”费雷拉想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，制造出可用于磁性去除废水处理厂微塑料的设备。在这里，他建议最好还是避免使用真正的铁磁流体，因为纳米颗粒可能会对环境产生影响。更大的黑色氧化铁颗粒(Fe)_3.O₄)，他说这没什么好担心的，因为这些物质在水中很常见，不溶，而且无论如何都可以用磁铁把它们洗掉。使用这些更大的氧化铁颗粒还有另一个好处，正如费米实验室的物理学家阿登·华纳所指出的那样:“就微塑料而言，你得到了更强的结合，因为有更多的空间供微粒附着。”

华纳领导着一个科学家联盟，打着这个旗号自然科学他开发了一种利用磁铁清理漏油的装置。他的方法是在泄漏的石油上撒上微米级的铁_3.O₄这些粒子创造了他所谓的“磁流变流体”。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——避免了在水中使用合成化学物质——但这些流体仍然可以被磁场引导。范德华力刚好强到足以抓住油，让磁化流体以一种令人惊讶的方式表现出来。华纳说:“这些磁性粒子沿着磁场的方向排列，并与磁场成直角。”“粘度增加了，这意味着你几乎可以把它冻结在原地，然后把它从表面提起来。”在新泽西州的溢油研究和可再生能源测试中心对该技术进行的全面测试表明，该技术在分离油水方面的效率达到97%。该系统使用传送带将油从水面输送出去，并分离出氧化铁进行再利用。虽然纳米颗粒磁铁矿也能起作用，但华纳说，当相互作用较弱时，氧化铁更容易析出。

甚至帕佩尔关于铁磁流体的最初建议也可能仍然行得通——在某种程度上。2018年，由Ehresmann领导的一个学生团队向国际空间站发送了一个三明治盒大小的小测试单元，其中包含铁磁流体，项目名称为“吉祥”。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效用，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。正如团队成员弗兰兹卡·希尔德解释的那样，他们将小盒子连接起来，利用磁阵列在微小的管道中移动铁磁流体。这种泵可以用于长寿命的冷却或通风系统。

然而，Ehresmann目前的项目是一个基于铁磁流体的姿态控制系统。现有的系统通过改变动量轮的旋转速度来改变航天器的轨道。这些轮子都是超精密制造的，但几年后仍然会坏掉，而且要付出巨大的代价。Ehresmann解释说:“因此，我们使用旋转磁场，而不是转动的机械轮，让液体在其中旋转。”虽然帕佩尔的铁磁流体燃料从未成功，但磁性液体并没有失去它们的吸引力。

海莉·贝内特是英国布里斯托尔的一名科学作家