【引言】
具有響應(yīng)特征的東南大學(xué)的設(shè)功能材料從科學(xué)研究到實(shí)際應(yīng)用都有著極高的應(yīng)用價(jià)值。上個世紀(jì)以來，趙遠(yuǎn)r綜科研人員為開發(fā)微納尺度的錦A計(jì)和磁流體作出了許多努力，以期實(shí)現(xiàn)對化學(xué)制劑、述柔光照、性磁溫度、流體pH值、應(yīng)用機(jī)械力和磁力等外加激勵的材料敏捷響應(yīng)。其中廣為研究的東南大學(xué)的設(shè)一種響應(yīng)材料就是磁流體。廣義來講，趙遠(yuǎn)r綜具有單個磁疇的錦A計(jì)和鐵磁納米顆粒的膠體懸浮液處于某種載體流體中，可統(tǒng)稱為磁流體。述柔磁流體最顯著的性磁特征是結(jié)合了超順磁性質(zhì)和流體一般表現(xiàn)，不僅使磁流體在相對弱的流體磁場中表現(xiàn)出快速的強(qiáng)磁響應(yīng)，且使磁流體具有磁控、應(yīng)用柔性、可逆流變、熱學(xué)、光學(xué)等物理性質(zhì)，與磁流體與其他材料的相容性結(jié)合起來，使得磁流體在眾多領(lǐng)域都有潛在應(yīng)用。
【成果簡介】
磁流體也稱作鐵磁性顆粒懸浮液，是一類具有優(yōu)異磁性響應(yīng)的材料，因此在工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。由于其具有快速的磁相互作用、靈活的流動性和可調(diào)節(jié)的光學(xué)/熱學(xué)性質(zhì)等出色的特點(diǎn)，在材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)藥和工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近日，東南大學(xué)的趙遠(yuǎn)錦教授（通訊作者）在Advanced Materials上發(fā)表了題為“Flexible Ferrofluids: Design and Applications”的綜述文章，系統(tǒng)介紹了柔性磁流體器件近年來的設(shè)計(jì)、開發(fā)進(jìn)展。本文采用一種全面、縱深的視角，從材料制備、液滴操控、生物醫(yī)藥、能源、機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用幾個方面來深入理解磁流體，并討論了當(dāng)前存在的挑戰(zhàn)，對未來作出展望。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1：磁流體液滴對外加磁場的動力學(xué)響應(yīng)。
(a)磁流體液滴在外加磁場下分割的示意圖（由1至4強(qiáng)度遞增）；
(b)磁流體液滴分割的光學(xué)圖像；
(c)磁流體母液滴分割后復(fù)雜形式的示意圖；
(d)母液滴分割的多重光學(xué)圖像。
圖2：外加磁場下磁流體的行為調(diào)控。
(a)增強(qiáng)外加磁場下磁流體液滴陣列的行為；
(b)旋轉(zhuǎn)外加磁場下磁流體液滴陣列的行為；
(c)基于磁流體的制備過程示例的示意圖；
(d)磁流體序列衍生的聚合物模板的光學(xué)圖像；
(e)磁流體序列衍生的聚合物模板的SEM圖像；
(f-h) 受豬籠草齒毛啟發(fā)的基于磁流體配合模板的各向異性表面。
圖3：磁流體作為載體溶液的應(yīng)用。
(a)兩組元懸浮液中顆粒的組合；
(b)三組元懸浮液中顆粒的組合；
(c)表示浸入磁流體中的非磁性粒子周圍外加磁場分布的模擬結(jié)果，以及這些非磁性粒子響應(yīng)行為的示意圖；
(d)納米管在無磁場作用下隨機(jī)展開(i)和磁場下取向有序(ii)的示意圖。
圖4：多種形狀的磁響應(yīng)軟體機(jī)器人。
(a)具有多個纖毛狀足的磁響應(yīng)軟體機(jī)器人；
(b)具有磁響應(yīng)的彈性體柱狀序列；
(c)軟體螺旋形微型馬達(dá)的制備方法和磁場驅(qū)動下的旋轉(zhuǎn)行為；
(d)應(yīng)用于手風(fēng)琴、升降機(jī)和蠕動泵的磁性彈性體薄膜光學(xué)圖像；
(e)磁性響應(yīng)薄片的示意圖和SEM圖像；
(f)直寫成型技術(shù)制備得到的復(fù)雜三維圖樣示例。
圖5：鐵磁顆粒衍生材料作為光子材料的應(yīng)用。
(a)包含乙二醇/鐵磁粒子液滴的磁響應(yīng)PDMS復(fù)合物薄膜的光學(xué)圖像，及其在外加磁場下的變色性質(zhì)；
(b)通過M墨水產(chǎn)生多色高分辨圖樣的過程；
(c)M墨水生成的圖樣示例。
圖6：受限空間中的鐵磁顆粒自組裝行為。
(a)顆粒在球面附近形成直鏈的俯視SEM圖像；
(b)當(dāng)暴露在平行于觀察方向的磁場中，處于“開啟”狀態(tài)的液滴的光學(xué)圖像(i-iii)，以及外加磁場垂直于觀察方向時，處于“關(guān)閉”狀態(tài)的液滴的光學(xué)圖像(iv-vi)。
圖7：基于磁流體的三維超順磁顆粒的制備。
(a)表示超順磁顆粒用沉積定向式自組裝從而組裝成不同形狀的示意圖；
(b)在不同鐵磁性粒子濃度和磁場強(qiáng)度下，形狀各異的超粒子；
(c)超粒子的分解和組裝。
圖8：含磁流體的彈性體表面。
(a)外加磁場誘導(dǎo)的磁響應(yīng)表面狀態(tài)切換的示意圖；
(b)在PDMS，玻璃，PMMA，鋁和紙張表面制備得到的磁響應(yīng)表面，這些材料作為捕捉、運(yùn)輸和釋放液滴的機(jī)械手；
(c)含磁流體的多層彈性體表面上液滴運(yùn)輸?shù)氖疽鈭D和數(shù)碼圖像。
圖9：磁流體輸注的復(fù)合物表面。
(a)一種移動梯度磁場作用下，磁流體輸注的納米序列表面的液滴移動行為；
(b)宏觀拓?fù)鋵W(xué)FLIPS上采用不同的磁體/基底距離d的實(shí)驗(yàn)設(shè)置和水液滴的聚集行為；
(c)FLIPS上磁流體包裹液滴和未包裹液滴的混合行為。
圖10：磁性連續(xù)流變磁流體。
(a)細(xì)胞封裝和分離過程的示意圖和圖像；
(b)通過“蛇形梯(Snakes-and-Ladders)”磁性微流體平臺，高分子電解質(zhì)包覆的聚乙烯吡咯烷酮穩(wěn)定化的磁性液滴。
圖11：表面能勢阱(SET)激活的磁數(shù)字化微流體平臺。
(a)SET激活的磁數(shù)字化微流體平臺上的液滴操控；
(b)通過SET激活的磁數(shù)字化微流體平臺實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用基因判別；
(c)通過SET激活的磁數(shù)字化微流體平臺實(shí)現(xiàn)連續(xù)稀釋；
(d)負(fù)載鐵磁粒子的液滴通過磁性軌跡進(jìn)行調(diào)控。
圖12：磁性液體彈球。
(a)磁性液體彈球的制備；
(b)磁性液體彈球?qū)Υ艌龅捻憫?yīng)；
(c)基于磁性液體彈球的“液滴內(nèi)實(shí)驗(yàn)室”的示意圖；
(d)具有兩面粒子構(gòu)型的液體彈球的表征。
圖13：磁控門納米流體。
(a)磁性門流體的原理和應(yīng)用；
(b)液滴設(shè)置/重置觸發(fā)器；
(c)不同振動模式的示意圖。
圖14：磁流體用于核磁共振成像的細(xì)胞示蹤。
(a)磁性標(biāo)記的中性粒細(xì)胞制備和示蹤過程示意圖；
(b)MRI成像顯示磁性標(biāo)記中性粒細(xì)胞修飾的腫瘤位置具有很強(qiáng)的襯度增強(qiáng)。
圖15：磁流體用于癌癥治療的靶向給藥。
(a)藥物-鐵磁粒子通過共價(jià)鍵捆綁的示例；
(b)示意圖表示鐵磁粒子為膠囊的水凝膠中空球的制備；
(c)大型多功能脂質(zhì)體結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖16：磁流體在組織工程學(xué)中的應(yīng)用。
(a)細(xì)胞的三維磁性懸浮;
(b)通過磁性對齊的海藻酸骨架的制備示意圖和相應(yīng)的成肌細(xì)胞培養(yǎng)；
(c)組織培養(yǎng)中細(xì)胞搭載用微尺度水凝膠的空間編碼。
圖17：磁流體在強(qiáng)化傳熱中的應(yīng)用。
(a)磁流體的熱磁對流示意圖；
(b)TENG和EMG組件的操作原理示意圖；
(c)基于磁流體的TENG_EMG雜化系統(tǒng)的輸出信號。
圖18：磁流體應(yīng)用于磁光器件。
(a)鐵磁柱體暴露于強(qiáng)垂直磁場形成的有序六方結(jié)構(gòu)；
(b)磁流體薄膜在平行磁場下的示意圖；
(c)鐵磁粒子修飾的三維石墨烯氣凝膠在磁場作用下的可逆壓縮。
圖19：磁流體在多相分離中的應(yīng)用。
(a)在毛細(xì)管微流體器件中制備石墨烯氧化物包封的單個、兩個、三個、四個磁性多孔球體核；
(b)用石墨烯氧化物包封的磁性多孔球吸收的硅油（黃色染料）漂浮于水的表面；
(c)吸收的氯仿（紅色染料）沉降到水下。
圖20：基于磁流體的FLIP結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用。
(a)FLIP的吸附能力；
(b)FLIP的泵吸能力；
(c)生物薄膜從FLIP上脫離。
【小結(jié)】
本篇綜述對新興的磁流體做了概括性總結(jié)，內(nèi)容涵蓋磁流體的新型設(shè)計(jì)和廣泛的應(yīng)用。從其磁響應(yīng)性質(zhì)出發(fā)，作者討論了磁流體在微成型和微觀粒子組織中的用途，強(qiáng)調(diào)了開發(fā)磁性激勵軟物質(zhì)所做的努力，總結(jié)了鐵磁粒子自組裝衍生的光子結(jié)構(gòu)。此后，作者概括了磁流體和特殊設(shè)計(jì)表面或微流體系統(tǒng)的集成，二者都體現(xiàn)了流體或液滴操控的優(yōu)越性。作者還強(qiáng)調(diào)了磁流體在體外檢測、體內(nèi)診斷和治療中的實(shí)際價(jià)值，特別是在實(shí)時、對生物標(biāo)記物高靈敏度探測、細(xì)胞示蹤、分子成像、基因治療等這些領(lǐng)先的研究工作。文章對磁流體在能源和工程領(lǐng)域的作用（例如熱傳遞、能量收集和吸收油狀物）也作了討論。盡管已有的成果引人矚目，阻礙擴(kuò)展磁流體應(yīng)用范圍的重要問題還依然存在。首先，對磁流體的基礎(chǔ)研究仍然匱乏，磁流體的粒子結(jié)構(gòu)、形狀和元素組成對其磁性、動力學(xué)和磁熱效應(yīng)的影響目前仍知之甚少。此外，鐵磁粒子制備技術(shù)依然存在著進(jìn)步空間，制備均勻、多分散的鐵磁粒子的方法還在探索中。此外，由于磁場對磁流體準(zhǔn)確調(diào)控必須處于小空間限制內(nèi)，目前還有待實(shí)現(xiàn)磁流體在寬范圍的精確控制。第二個問題是對磁流體在活體內(nèi)的生物安全性的考慮。在疾病治療方面，磁流體的靶向能力還不足。除此之外。磁激勵微納機(jī)器人系統(tǒng)的報(bào)道中提到，其中多數(shù)只能在相對簡單的活體液態(tài)環(huán)境中表現(xiàn)簡單運(yùn)動模式，而實(shí)際情況要復(fù)雜得多。因此，需要磁性機(jī)器人可以適應(yīng)黏性復(fù)雜流體的微結(jié)構(gòu)，并能開展多種復(fù)雜任務(wù)。此外，液滴沉積、液滴內(nèi)不均勻物質(zhì)和有機(jī)組成的效能損失都是需要考慮的問題。
文獻(xiàn)鏈接：Flexible Ferrofluids: Design and Applications（Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201903497）
本文由Isobel撰稿。
