PNAS:铁磁液滴机理的研究进展

供稿单位:yobo体育官网入口 发布时间:2021-05-11 浏览次数:199


常温条件下,超顺磁纳米粒子在液/液界面的吸附,能够实现任意液滴形状的可控制备和顺磁流体-铁磁流体的转变,从而得到铁磁液滴。铁磁液滴在磁场下具有可控响应的现象,成为近年来在柔性反应器,软体机器人,生物载药和能量转换等领域的研究热点。因此,深入理解铁磁液滴的形成机理和磁性特点对进一步开拓其应用具有至关重要的意义。


在北京市自然科学基金委的大力支持下,yobo体育官网入口软物质科学与工程高精尖创新中心的科研人员近年来致力于液/液界面自组装纳米颗粒功能化的发展,在功能纳米材料在水油界面自组装的理论及应用方面(Science 2019, 365, 264-267)开展了系统的研究。近期,中心科研人员在铁磁液滴的形成机理方面的研究取得了新进展。他们采用流体力学实验装置,观测到磁性纳米颗粒自组装结构在液滴表面的玻璃化转变的过程,证明了纳米粒子在界面发生阻塞相变(jamming)是得到铁磁性液滴的基本条件。结合液滴表面原位原子力显微镜及透射电镜的表征数据,能够清晰表明磁性纳米颗粒在界面形成的短程有序结构是其铁磁性的来源。进一步通过改变液滴的物理化学环境,如液相pH, 粒子浓度,粒子个数与液滴的表面积的比值等参数,纳米颗粒在界面处的组装速率及其在界面处的稳定性能够被可控调节,从而得到不同剩磁强度的铁磁液滴。分析比较微磁模拟数据中与实验条件下液滴的运动状态,他们发现了液滴在高频磁场下具有震荡行为,原因在于液滴所受磁矩与液滴本身磁极与外界磁极的夹角有关,由于液滴的旋转速度慢于外界磁场的速度,两者速度的不同步导致了周期性的磁矩与角速度变化。


图1   铁磁液滴的磁性能变化

另外,模拟的结果也显示了铁磁液滴表面 “多层”组装的结构特点,液滴的磁性能会随着粒子个数与液滴表面积的比值线性增加,这证明了内部分散的磁性粒子也会在外界磁场以及界面剩磁的作用下,与界面处的纳米粒子发生耦合作用,从而增强整个液滴的剩磁强度。通过研究非磁性粒子的加入对铁磁液滴磁性能的影响,实验发现,加入非磁性粒子后,在磁性粒子浓度即使较低的情况下,也可形成铁磁液滴,这是由于磁性粒子在界面组装形成的聚集体结构,有效地增强了液滴的剩磁强度。本文通过结合实验和模拟手段,较系统地研究了铁磁液滴磁性能的影响条件,阐述了铁磁液滴表面的微观磁性组装体的结构特点,有利于深入理解铁磁液滴的运动及形成机理。