經(jīng)典的磁流體是指在水、油或有機溶劑等載液中均勻分散有磁性顆粒的懸浮液。磁流體將磁性和流動(dòng)性結合在一起，具有快速磁響應、可逆粘度變化以及可調的熱和光學(xué)特性等特點(diǎn)。然而，傳統磁流體載液的密度和沸點(diǎn)往往較低，影響了磁流體的懸浮穩定性和工作溫度范圍。近年來(lái)液態(tài)金屬磁流體材料的出現顯著(zhù)改變了這一研究與應用格局。使用液態(tài)金屬作為載液，不僅能克服上述限制，還使所制成的液態(tài)金屬基磁流體擁有了高導電性，從而大大擴展了磁流體的功能。此外，由于液態(tài)金屬導電性與懸浮顆粒磁性之間的協(xié)同作用，液態(tài)金屬磁流體還表現出復雜的多功能特性。

近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所劉靜課題組與中國農業(yè)大學(xué)何志祝課題組在Nature Reviews Materials上發(fā)表了一篇題為“液態(tài)金屬基磁流體（Liquid Metal-Based Magnetic Fluids）”的評述文章，系統總結了當前液態(tài)金屬基磁流體材料領(lǐng)域的研發(fā)現狀，并對其未來(lái)前景作出展望。文章第一作者為理化所博士生向文韜和陸泳宇博士，通訊作者為劉靜研究員、何志祝教授和陸泳宇博士。

在這篇綜述中，作者首先介紹了制備液態(tài)金屬基磁流體的主要方法，包括氧化混合法和金屬間潤濕法等。氧化混合法利用攪拌、研磨、球磨和超聲等技術(shù)破壞液態(tài)金屬氧化層，并產(chǎn)生新的氧化物附著(zhù)在磁性顆粒上形成涂層。由于新的氧化物涂層很容易與液態(tài)金屬混溶，磁顆粒就這樣與液態(tài)金屬載液混合形成液態(tài)金屬基磁流體。金屬間潤濕法利用液態(tài)金屬“胞吞”現象（將能夠被液態(tài)金屬潤濕的顆粒內吞化）制備液態(tài)金屬基磁流體。對比傳統磁流體，液態(tài)金屬基磁流體表現出良好的重力穩定性，膠體穩定性和化學(xué)穩定性（圖1）。

隨后，文章全面總結了液態(tài)金屬基磁流體的特性，并討論了它們與傳統磁流體的區別。傳統載液的熱導率和電導率通常較低，而液態(tài)金屬載液使由此形成的磁流體具有較高的熱導率和電導率。液態(tài)金屬基磁流體也具有典型磁響應特性和電磁感應能力。與傳統磁流體相比，液態(tài)金屬基磁流體中還具有顯著(zhù)磁熱效應。此外，液態(tài)金屬基磁流體也表現出典型的磁流變行為，液態(tài)金屬固體氧化物賦予液態(tài)金屬基磁流體非牛頓流體特性（圖2）。

文章進(jìn)一步概述了液態(tài)金屬基磁流體在生物醫學(xué)工程、熱管理、印刷電子、柔性傳感器和軟體機器人領(lǐng)域的應用。在生醫工程領(lǐng)域，液態(tài)金屬基磁流體可被用于靶向遞藥、生物電極、骨組織工程支架、抗菌劑、治療腫瘤的柔性貼片和醫學(xué)成像等。在熱管理領(lǐng)域，液態(tài)金屬基磁流體被用于制造磁制冷液態(tài)金屬和無(wú)泄漏的熱管理材料。在印刷電子領(lǐng)域，液態(tài)金屬基磁流體可在各種基底上創(chuàng )建無(wú)泄漏導電圖案。在柔性傳感器領(lǐng)域，液態(tài)金屬基磁流體可對熱場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)等激勵做出反應，并可適應各種界面，是柔性傳感應用的理想選擇。在軟體機器人領(lǐng)域，液態(tài)金屬基磁流體具有對磁場(chǎng)的快速響應、出色的形狀適應性、可調剛度和高導電性，是制作軟體機器人的基本要素（圖3、4、5）。

當前液態(tài)金屬基磁流體仍處于發(fā)展初期，文章從材料設計、多場(chǎng)協(xié)同作用和潛在的應用場(chǎng)景三個(gè)方面提出了該領(lǐng)域的挑戰和展望。首先，需要進(jìn)一步合理設計液態(tài)金屬基磁流體以達到所預期的密度、流動(dòng)性以及熱、磁、電、光或生物相容性能，從而較好滿(mǎn)足各種實(shí)際要求。其次，盡管液態(tài)金屬基磁流體在多種物理場(chǎng)下表現出豐富行為，但其與磁顆粒之間復雜的相互作用也給理解協(xié)同效應和控制多種功能帶來(lái)了挑戰。最后，液態(tài)金屬基磁流體還有潛力在軟體機器人、生醫工程和催化等領(lǐng)域發(fā)揮更多作用。

自本世紀初以來(lái)，理化所團隊圍繞液態(tài)金屬進(jìn)行了廣泛而深入的研究探索。團隊最早提出了納米液態(tài)金屬的概念及液態(tài)金屬氧化粘附機理，并發(fā)現了液態(tài)金屬“胞吞”現象，為制備液態(tài)金屬基磁流體及應用奠定了理論基礎。在此基礎上，團隊進(jìn)一步研發(fā)出了各種磁性液態(tài)金屬復合材料，包括磁殼包覆的液態(tài)金屬，磁性液態(tài)金屬多孔材料，磁封裝防泄漏液態(tài)金屬等。在應用方面，理化所團隊率先將液態(tài)金屬基磁流體應用到了生物醫學(xué)工程、熱管理、印刷電子和軟體機器人等各個(gè)領(lǐng)域。

總的來(lái)說(shuō)，液態(tài)金屬基磁流體領(lǐng)域已展現出廣闊的發(fā)展前景，但也提出了諸多基礎科學(xué)與應用技術(shù)挑戰。此項綜述旨在加深學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對液態(tài)金屬基磁流體的理解，進(jìn)而促成對這一新興領(lǐng)域開(kāi)展更多研究和應用。

以上工作得到國家自然科學(xué)基金等項目的資助。

圖1 液態(tài)金屬基磁流體的制備方法及其穩定性

圖2 液態(tài)金屬基磁流體的典型性質(zhì)

圖3 液態(tài)金屬基磁流體在生物醫學(xué)工程和熱管理中的應用

圖4 液態(tài)金屬基磁流體在印刷電子和柔性傳感器中的應用

圖5 液態(tài)金屬基磁流體在軟體機器人中的應用

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41578-024-00679-w