纳米磁性液体

磁性纳米液体摘要：磁性纳米液体作为一种新兴的材料正越来越广泛应用于人们生产生活的各个领域。本文从介绍什么是磁性纳米液体开始，接着详细叙述了磁性纳米液体的六个典型性能和三种典型的制备技术和六个比较常见的应用，接着阐述了磁性纳米液体的发展历程和现状，最后对磁性纳米液体的未来发展做出了展望。文章详略得当，完整地展示出了磁性纳米液体这一新兴材料。磁性纳米材料是当今世界材料领域的研究热点之一，是具有广泛应用前景的一类功能材料。磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性材料，其原因是与磁性相关的特征物理长度也处于纳米量级，如单磁畴尺寸、超顺磁性临界尺寸、磁交换作用长度等大致处于1—100nm量级。相对于大尺寸颗粒的磁性材料来说，纳米磁性液体具有较高的矫顽力，若进一步降低到临界尺寸一下，则会使矫顽力降低到零，呈现出超顺磁性。正是由于磁性纳米材料具备块体磁性材料不具有的许多磁学特性，它的出现给物理、化学和生物等许多学科带来了新的活力和挑战，是各国竞相研究和开发的重要领域，并不断给人们带来新技术和新产品。一、磁性纳米液体的概念所谓磁性纳米液体，又称磁流体或铁磁流体，是由纳米级（100nm以下）的强磁性微粒高度弥散于某种液体之中所形成的稳定的胶体体系。它的主要特点是在磁场作用下可以被磁化、运动，同时又具有液体的流动性。由于颗粒粒径非常小，以至于在液体中呈现出混乱的布朗运动这种热运动足以抵消重力的沉降作用和削弱粒子间的电磁凝聚作用，在重力和磁场力的作用下，始终稳定地分散在液体中，不会凝聚也不会沉淀。在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的团链簇，使得液体变为各向异性的介质。当光波、声波在其中传播时，会产生光的法拉第旋转、双折射效应、二向色性以及超声波传播速度与衰减的各向异性。其介电性质亦会呈现各向异性。二、磁性纳米材料的基本性能及产生机理1、磁特性胶态磁性液体中的磁性粒子属于亚畴粒子，但仍能够自发磁化到饱和状态。当粒子表面吸附一层表面活性剂时，就成为一个稳定地具有磁性的胶态粒子。在没有外磁场的作用下，磁性粒子作无规则的热运动，微粒的磁矩无规则分布，因而整个磁性液体系统的总磁矩为零，并不表现出对磁性物体的吸引能力。当存在外加磁场时，磁性液体显示出磁感应特性，图1为磁性液体的磁化曲线。由图可看出，磁化强度随外磁场的增加而近似线性地迅速提高，外加磁场一消失，磁性液体立即退磁，几乎没有磁滞现象。与固体材料相比，磁性液体的磁化曲线为对称的S形，表现为超顺磁性。[1]图1磁性液体的磁化曲线利用磁性液体在磁场中的磁特性可以做成很多显示磁性的模型，如图2的乌龟“爬坡”模型，这是磁性纳米材料微粒带动磁性液体整体向磁力大的方向运动的结果。图2乌龟“爬坡”2、悬浮特性磁性液体纳米颗粒的分布与磁场梯度有关。当磁场梯度等于零时，呈随即均匀分布；磁场梯度不等于零时，呈梯度分布；磁场梯度大的液层，磁性微粒聚集的多；磁场梯度小的液层，磁性微粒聚集的也少。3、表面特性磁性液体的表面在磁场力的作用下会产生特殊的变形，发生有趣的界面现象。如图3所示。在玻璃容器中盛入磁性液体，并沿着垂直于液体界面的方向施加磁场，由于磁场产生的静磁场能有使界面扩张的作用，从而使表面张力减小。如果上述扩张作用大于液体的表面张力，则表面将变得不稳定，并可产生针状突起。随着磁场的增强，这种针状突起现象也随之增大。[2]图3界面不稳定现象4、黏度特性在没有施加外场时，磁性液体的黏度可用爱因斯坦公式计算：0(12.5)为黏度为微粒的体积百分比上式使用于低浓度液体。除流体动力学相互作用外，，还存在影响粒子相对运动的粒子间磁的相互作用磁性液体的黏度必然会由这种相互作用的程度来决定。在稳定地磁性液体中，粒子-粒子间的相互作用可以忽略，不存在磁相互作用，黏度与流体动力学粒子浓度的关系必然和非磁性粒子悬浮液的关系式相应。最近的研究表明，在没有磁场时，磁性液体黏度与浓度的关系可用Vand公式20exp[(2.52.7)/(10.609)]描述。[3]磁性液体的黏度受密度、温度、、磁场、饱和磁化强度的影响较大，其关系如图4所示（只代表大致的趋势，不是实际的关系图）图4其中1代表黏度与密度的关系，2代表黏度与饱和磁化强度的关系，3代表黏度与温度的关系，4代表黏度与磁场的关系5、声学特性声波在液体中传播时会由于能量的耗散而衰减。对铁磁性液体而言，声波在其中传播时，传播速度和衰减程度都与外加磁场有很大关系，并且呈现各相异性，此外还与基液的黏度、温度、固体磁性粒子粒径大小及体积份额有关。5、光学特性磁性液体大多为暗褐色、黑色，不透明，若制成只有几微米厚的磁性液体膜，则光线可以通过。无外加磁场时，其光学特性为各向同性；在外加磁场的作用下，磁性粒子定向排列，而使磁性液体成为各向异性介质。会产生光的双折射效应和二色性现象程度也不同。对高浓度磁性液体（0.1s），寻常光和非寻常光的折射率之差可达3510，二向色性的量达3410，说明这些磁性液体在外场中表现出明显的光单轴晶体的性质另外，磁性纳米液体由于尺寸小，会表现出宽频带强吸收、蓝移（吸收带移向短波方向）现象，主要是由可见光的反射率低及强吸收等所致。[4]三、磁性纳米液体的制备工艺磁性液体按照组成纳米磁性颗粒的种类不同可分为铁酸盐系、金属系和氮化铁系三类，一般根据不同颗粒类型选择适宜的制备工艺。主要工艺有化学共沉淀法、热分解法、水热法、溶胶-凝胶法等等。下面简要介绍一下这些方法。a)化学共沉淀法化学共沉淀法是指在金属盐溶液中加入碱性沉淀剂（如氨水），使金属离子在反应过程中一起从溶液中沉淀出来。此法制备的颗粒很容易达到纳米尺寸，且产品纯度高，烧结活性好，原料适应性强，被广泛用于制备氧化铁，如34FeO。利用化学共沉淀法制备34FeO纳米粒的反应式为：23342284FeFeOHFeOHO将2Fe和3Fe按一定比例混合后，以过量氨水或氢氧化钠等溶液为沉淀剂合成34FeO颗粒。由此制得得34FeO纳米粒纯度很高。b)热解法热解法制备磁性纳米粒是最近几年才发展起来的，这种方法制备的纳米粒不仅粒径均一，而且晶形完善，因此逐渐被用来制备各种金属及其合金纳米粒和氧化物物纳米粒等。c)水热法[5]水热法是指在特制的密闭反应器中，以水为介质，通过加热创造一个高温高压的反应环境，使难溶或不溶的物质溶解并且重结晶，再经过分离和热处理得到产物的一种方法。水热法具有反应温度较低、产品纯度高等特点，是一种具有工业化实用前景的高质量制备方法。根据经典的晶体生长理论，水热反应的晶体生长包括以下几个步骤：（1）营养料在水热介质里溶解，以离子、分子团的形式进入溶液（溶解阶段）；（2）由于体系中存在十分有效的热对流以及溶解区和生长区之间的浓度差，这些离子、分子或离子团被输运到生长区（输运阶段）；（3）离子、分子或离子团在生长界面上的吸附、分解与脱附；（4）吸附物质在界面上的运动；（5）结晶。水热条件下生长的晶体晶面发育完整，晶体形貌与生长条件密切相关，同种晶体在不同的水热生长条件下可能有不同的结晶形貌。目前，水热法制备磁性纳米粒尚处于研究阶段。此法制备的纳米粒性能优异，有利于产品质量的提高，具有很好地工业化背景。d)溶胶－凝胶法溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。运用该法制备磁性纳米粒的具体步骤为：（1）溶剂化能电离的前驱体-金属阳离子zM将吸引水分子形成溶剂单元2()znMHO，为保持它的配位数而有强烈地释放H的趋势：1221()()zznnMHOMHOH（2）水解反应非电离式分子前驱体，如金属醇盐()nMOR与水反应：2()()()nxnxMORxHOMOHORxROH反应可延续进行，直至生成()nMOR（3）缩聚反应缩聚反应可分为失水缩聚（a）和失醇反应（b）,反应生成物是各种尺寸和结构的溶胶粒子。（a）2MOHHOMMOMHO(b)MORHOMMOMROH溶胶-凝胶法已广泛用于制备纳米尺寸的材料，该法制得得产品纯度高，反应过程易于控制，反应温度低。四、磁性纳米液体的发展状况磁性纳米液体首先由英国于20世纪60年代中期由英国研制成功，以后被美国宇航局采纳，并将其用于宇航服和宇宙飞船可动部分的真空密封材料及在失重状态下液体泵的输送等方面。国际上发表该方面论文的顶峰是在1985-1989年，当时每年都有很多的仪器利用磁性液体的磁特性制成。现在以广泛应用于化工、机械、仪表、医疗、导航、环保等领域，形成了一门特殊的学科和技术门类。国际上在一些磁性纳米液体的运用技术上已趋于成熟，也有相当多的市售商品，以进入工业化生产阶段。比如说我国的磁性液体密封技术上已初步达到了实用化阶段，相继成立了几家磁性液体有限公司，主要研制磁性液体转动密封标准件。在国际上，每3年都会召开一次磁性液体会议，以研讨最新的科研成果进展。第一届会议于1977年在意大利Udine召开。到现在已经召开了12届，从当初的讨论怎么制备到现在的运用于各种领域，磁性纳米液体已经取得了非常大的进展。.[9]从近期来看，纳米磁性液体在生物医学方面的应用和利用磁性液体的基础特性而出现的新的传感器将是未来的发展趋势。国内在此方面还有相当大的差距，多数学者在应用方面仍以磁性液体密封研究为主。五、磁性纳米液体的一些应用磁性纳米材料现已广泛应用于我们生产生活中的各个领域，其应用可谓包罗万象，下面讲一些我们生活中比较熟悉的应用。磁性1.旋转轴动态密封磁性液体旋转轴动态密封技术是磁性液体较成熟也是最重要的应用之一，现已广泛应用于X-射线转靶衍射仪、单晶炉、大功率激光器、计算机等精密仪器的转轴密封。磁性液体密封技术目前重要用于真空、灰尘、气体的动态密封，封水等液体由于难度较大，实际应用的不多。若能在封水、封油等方面取得突破，其应用领域将极为广阔，必将产生巨大的经济效益和社会效益。可从以下方面开展工作：改进密封件结构，改善磁路设计，研制新型磁性液体。[6]2、扬声器将磁性液体注入扬声器的音圈气隙对音圈的运动起一定的阻尼作用，并能使音圈自动定位，同时音圈所产生的热量可以通过磁性液体耗散，因此加入磁性液体可以提高扬声器的承受功率，在同样结构条件下可使输入功率提高2倍，同时改善频率响应，提高保真度。磁性液体用于金属膜扬声器性能更佳。目前国内许多厂家生产磁性液体扬声器，生产线和磁性液体均从国外进口。若能将磁性液体国产化，必将带来非常可观的收益。[7]3.阻尼器件利用磁性液体作为旋转与线性阻尼器，以阻尼不需要的系统振荡模式。与一般阻尼介质相比优点在于可挤占籍助外磁场定位。例如在步进马达中使用磁性液体阻尼来消除系统的振荡与共振，使马达精确定位。另外在防振台中使用磁性液体阻尼，可消除外界振动噪音的干扰，以确保精密仪器（天平，光学设备等）正常工作。4.选矿分离利用磁性液体的表观比重随外磁场的变化而改变的特点，可用来筛选比重不同的非磁性矿物。比重差别在10%左右的矿物可用此技术较好地分离，一般采用水基磁性液体，可重复使用。[8]5、治疗癌症磁性耙向载体粒子是一种广泛应用于癌症治疗及诊断的磁性材料，主要是由铁微粒和其他活性成分构成的纳米微粒。粒子本身具有生物相容性，并可在体内完全代谢。这些纳米微粒具有较强的药物承载能力，抗癌药物以及抗体、活性蛋白和小分子多肽等物质通过一定的物理吸附或化学键与其相连，并配合载液形成磁性靶向载体系统。该系统经由静脉注射进入体内，在外加磁场的引导下富集到病灶处释药治疗。结构6.精密研磨和抛光磁性液体研磨是利用磁性液体的浮力将微米级的磨料悬浮于液体表面，与待抛光的工件紧密接触。不论工件的表面形状多么特殊，均可用此技术精密抛光。另外还可用来研磨高级Si3N4陶瓷球，效率比