七、奇異的磁性液體

國(guó)際空間站上的航天員正在研究一種奇怪的液體，它可在機(jī)器人的“血管”中流動(dòng)（如圖6-32所示），這種液體還能幫助建筑物抵抗地震。如果不是親眼看到的話，你可能不會(huì)相信這一切：一滴灰色的水從一個(gè)燒杯中流出，當(dāng)它正流向桌子，但是還沒有到達(dá)桌面時(shí)，空中發(fā)出一陣低沉的聲音，這是有人接通了電磁鐵。這時(shí)，這滴水顫動(dòng)著，變得很黏稠。當(dāng)電磁場(chǎng)作用停止，嗡嗡聲逐漸平息后，這滴水又恢復(fù)原樣，流向桌面。這是怎么回事?原來它被磁化了!這種液體被科學(xué)家們稱為“磁流變液”（Magneto-Rheological Fluids，MRF）。它可以在磁場(chǎng)的作用下黏度加大，改變形狀或形態(tài)（如圖6-33所示）。

圖6-32　通過控制磁流變液來轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和四肢的未來機(jī)器人

奧迪跑車和凱迪拉克等汽車已經(jīng)使用磁流變技術(shù)的減震器。當(dāng)電壓變化引起磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致磁流變液的黏度發(fā)生變化，從而調(diào)節(jié)減震器的彈力和硬度。它的變化頻率可以達(dá)到每秒幾千次以上。即使路面再起伏不平，車輛行駛起來還是非常平穩(wěn)。在日本新興科學(xué)國(guó)家博物館和中國(guó)洞庭湖橋上都安裝了類似作用機(jī)理的裝置，它們可以抵消由于地震和海嘯引起的震動(dòng)。

磁流變除用于運(yùn)動(dòng)減幅，還有更多使人感到驚奇的潛在應(yīng)用價(jià)值。例如，一旦有一天磁流變液流過機(jī)器人的“血管”時(shí)，就會(huì)使機(jī)器人的四肢和人一樣活動(dòng)自如（如圖6-32所示）。但要實(shí)現(xiàn)以上的設(shè)想，還有很多問題需要解決。例如，如何控制磁場(chǎng)，使磁流變液中粒子按照人們的要求排列和傳遞?磁流變液的材料組分也是重要的問題。為了更好地將該技術(shù)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，還需要了解的是關(guān)于磁流變液的基本物理學(xué)特點(diǎn)。

圖6-33　將磁流變液放到磁場(chǎng)液體中的磁顆粒排列成串

在地球上，要了解一些物理現(xiàn)象的真正起因是有困難的。因?yàn)橛捎诘匦囊Φ淖饔?，物體本質(zhì)的一些現(xiàn)象被扭曲了?？茖W(xué)家們?cè)谶@種情況下進(jìn)行研究，得出的往往是錯(cuò)誤的結(jié)論。因此，美國(guó)的科學(xué)家蓋斯特和同事們想到將這些液體送到太空中進(jìn)行研究。在太空微重力的環(huán)境下，重力的作用基本消除，就可以了解到這些物理特性的本質(zhì)了。于是，蓋斯特與杰克研究中心的科學(xué)家和工程師制定了一項(xiàng)太空磁流變液的研究計(jì)劃。

磁性液體是一種新型功能材料，顧名思義，它是一種液態(tài)的磁性材料。在航空航天、儀器儀表、各種轉(zhuǎn)動(dòng)密封、減震系統(tǒng)以及紅外吸收器件方面都有廣泛用途。通常它不顯示磁性，只有在外加磁場(chǎng)中才顯示超順磁性。磁性液體從構(gòu)造方面來說實(shí)際是一種磁性超微粒子的溶膠體，磁性超微粒子尺寸在l0nm左右，表面包覆一層界面活性劑分子，能夠均勻分散懸浮在某種基液中構(gòu)成溶膠，固-液渾然一體，即使在重力、離心力、磁力作用下也不互相分離，而是作整體運(yùn)動(dòng)。磁性液體是由磁性超微粒子、基液和界面活性劑三者組成的，后兩者構(gòu)成載液（如圖6-34所示）。在無外磁場(chǎng)時(shí)，由于超微磁性粒子在載液中劇烈的布朗運(yùn)動(dòng)，磁矩呈無規(guī)則分布。

圖6-34　磁性液體的模型

磁性液體最初是在1965年美國(guó)宇航局為解決宇宙服的頭盔轉(zhuǎn)動(dòng)密封問題而研制成功的。當(dāng)時(shí)用磁鐵礦石粉放入油液中再加油酸作界面活性劑。此混合物在球磨19天后，經(jīng)離心分離得到200 ml，磁化強(qiáng)度約4×10^?2T的鐵氧體型磁性液體。以后研究采用的化學(xué)溶液反應(yīng)法，制取速度大大加快，這是第一代磁性液體產(chǎn)品。1987年日本采用真空蒸發(fā)冷凝并經(jīng)濃縮工藝制法研制成功的金屬磁性液體為第二代產(chǎn)品，其飽和磁化強(qiáng)度達(dá)到12×10^?2T。

綜上所述，制取金屬磁性液體必須具備兩個(gè)條件。首要條件是要能制備平均粒徑l0nm左右的鐵磁性金屬超微粒子，這是因?yàn)榻饘倥c基液油兩者的比重相差約9倍時(shí)，超微粒子才能克服重力，依靠布朗運(yùn)動(dòng)懸浮在基液中；但粒子又不能太小，否則磁性下降太多。制取金屬磁性液體的充分條件是要使用界面活性劑來包覆每一個(gè)超微粒子，產(chǎn)生位阻效應(yīng)來阻止超微粒子因巨大表面能而自發(fā)地互相團(tuán)聚的趨勢(shì)。而磁性液體的飽和磁化強(qiáng)度則取決于磁性微粒子的材料性質(zhì)及其在載液中的百分含量。

當(dāng)磁性液體注入揚(yáng)聲器的音圈氣隙時(shí)，能對(duì)音圈的運(yùn)動(dòng)起一定的阻尼作用，并能使音圈自動(dòng)定位，同時(shí)音圈所產(chǎn)生的熱量可以通過磁性液體耗散，因此加入磁性液體可以提高揚(yáng)聲器的承受功率，在同樣結(jié)構(gòu)條件下可使輸入功率提高兩倍，同時(shí)能改善頻率響應(yīng)，提高保真度；利用磁性液體可用做旋轉(zhuǎn)與線性阻尼器；此外還可利用磁性液體的表觀比重隨外磁場(chǎng)的變化而改變的特點(diǎn)，來篩選比重不同的非磁性礦物。這些都屬于傳統(tǒng)應(yīng)用了，此外，磁性液體還在許多新領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用前景。如：磁性液體印刷、磁性液體薄膜軸承、磁性液體人工發(fā)熱器、磁性液體渦輪發(fā)電、光學(xué)開關(guān)、磁性液體剎車等等。近年來，磁性液體在醫(yī)藥中的應(yīng)用，如對(duì)癌癥病人的紅血球細(xì)胞和白血球細(xì)胞的磁流體分離、腫瘤的磁栓塞封死治療、磁流體在人體內(nèi)受交變磁場(chǎng)的作用產(chǎn)生熱量而實(shí)現(xiàn)的局部熱療和全身熱療、磁性靶向藥物載體、用于視網(wǎng)膜修復(fù)手術(shù)的硅氧烷磁流體、磁示蹤劑以及血流的磁測(cè)量等。可以預(yù)計(jì)，今后還可開拓出更多更新的用途。