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理化所发表液态金属磁流体研究评述文章

稿件来源：液态金属与低温生物医学研究中心发布时间：2024-05-17

经典的磁流体是指在水、油或有机溶剂等载液中均匀分散有磁性颗粒的悬浮液。磁流体将磁性和流动性结合在一起，具有快速磁响应、可逆粘度变化以及可调的热和光学特性等特点。然而，传统磁流体载液的密度和沸点往往较低，影响了磁流体的悬浮稳定性和工作温度范围。近年来液态金属磁流体材料的出现显著改变了这一研究与应用格局。使用液态金属作为载液，不仅能克服上述限制，还使所制成的液态金属基磁流体拥有了高导电性，从而大大扩展了磁流体的功能。此外，由于液态金属导电性与悬浮颗粒磁性之间的协同作用，液态金属磁流体还表现出复杂的多功能特性。

近日，中国科学院理化技术研究所刘静课题组与中国农业大学何志祝课题组在Nature Reviews Materials上发表了一篇题为“液态金属基磁流体（Liquid Metal-Based Magnetic Fluids）”的评述文章，系统总结了当前液态金属基磁流体材料领域的研发现状，并对其未来前景作出展望。文章第一作者为理化所博士生向文韬和陆泳宇博士，通讯作者为刘静研究员、何志祝教授和陆泳宇博士。

在这篇综述中，作者首先介绍了制备液态金属基磁流体的主要方法，包括氧化混合法和金属间润湿法等。氧化混合法利用搅拌、研磨、球磨和超声等技术破坏液态金属氧化层，并产生新的氧化物附着在磁性颗粒上形成涂层。由于新的氧化物涂层很容易与液态金属混溶，磁颗粒就这样与液态金属载液混合形成液态金属基磁流体。金属间润湿法利用液态金属“胞吞”现象（将能够被液态金属润湿的颗粒内吞化）制备液态金属基磁流体。对比传统磁流体，液态金属基磁流体表现出良好的重力稳定性，胶体稳定性和化学稳定性（图1）。

随后，文章全面总结了液态金属基磁流体的特性，并讨论了它们与传统磁流体的区别。传统载液的热导率和电导率通常较低，而液态金属载液使由此形成的磁流体具有较高的热导率和电导率。液态金属基磁流体也具有典型磁响应特性和电磁感应能力。与传统磁流体相比，液态金属基磁流体中还具有显著磁热效应。此外，液态金属基磁流体也表现出典型的磁流变行为，液态金属固体氧化物赋予液态金属基磁流体非牛顿流体特性（图2）。

文章进一步概述了液态金属基磁流体在生物医学工程、热管理、印刷电子、柔性传感器和软体机器人领域的应用。在生医工程领域，液态金属基磁流体可被用于靶向递药、生物电极、骨组织工程支架、抗菌剂、治疗肿瘤的柔性贴片和医学成像等。在热管理领域，液态金属基磁流体被用于制造磁制冷液态金属和无泄漏的热管理材料。在印刷电子领域，液态金属基磁流体可在各种基底上创建无泄漏导电图案。在柔性传感器领域，液态金属基磁流体可对热场、电场和磁场等激励做出反应，并可适应各种界面，是柔性传感应用的理想选择。在软体机器人领域，液态金属基磁流体具有对磁场的快速响应、出色的形状适应性、可调刚度和高导电性，是制作软体机器人的基本要素（图3、4、5）。

当前液态金属基磁流体仍处于发展初期，文章从材料设计、多场协同作用和潜在的应用场景三个方面提出了该领域的挑战和展望。首先，需要进一步合理设计液态金属基磁流体以达到所预期的密度、流动性以及热、磁、电、光或生物相容性能，从而较好满足各种实际要求。其次，尽管液态金属基磁流体在多种物理场下表现出丰富行为，但其与磁颗粒之间复杂的相互作用也给理解协同效应和控制多种功能带来了挑战。最后，液态金属基磁流体还有潜力在软体机器人、生医工程和催化等领域发挥更多作用。

自本世纪初以来，理化所团队围绕液态金属进行了广泛而深入的研究探索。团队最早提出了纳米液态金属的概念及液态金属氧化粘附机理，并发现了液态金属“胞吞”现象，为制备液态金属基磁流体及应用奠定了理论基础。在此基础上，团队进一步研发出了各种磁性液态金属复合材料，包括磁壳包覆的液态金属，磁性液态金属多孔材料，磁封装防泄漏液态金属等。在应用方面，理化所团队率先将液态金属基磁流体应用到了生物医学工程、热管理、印刷电子和软体机器人等各个领域。

总的来说，液态金属基磁流体领域已展现出广阔的发展前景，但也提出了诸多基础科学与应用技术挑战。此项综述旨在加深学术界和工业界对液态金属基磁流体的理解，进而促成对这一新兴领域开展更多研究和应用。

以上工作得到国家自然科学基金等项目的资助。