磁性液體究竟有多神奇

姚昌松　方鴻

如果你曾看過電影《毒液》，想必一定會(huì)對(duì)電影中充滿科技感的場(chǎng)景印象深刻：不斷流動(dòng)的“毒液”，就像四處噴涌的黑色觸手，向著指定的方向一直延伸，給人強(qiáng)烈的視覺震撼。

藝術(shù)源于生活?，F(xiàn)如今，在現(xiàn)實(shí)世界中，有一種和電影中的“毒液”一樣神奇的材料，正受到各國(guó)科研人員的廣泛關(guān)注。它們既可以像液體一樣自由流動(dòng)，又能夠被磁場(chǎng)控制進(jìn)行定向移動(dòng)，這就是磁性液體。

磁性液體從科幻走進(jìn)現(xiàn)實(shí)

早在40年前，曾有軍事小說家描繪過一艘人類理想中的完美潛艇，它沒有螺旋槳卻安裝了“履帶系統(tǒng)”，即超導(dǎo)磁性壓水式推進(jìn)器，可以讓潛艇在高速行進(jìn)的同時(shí)，把噪音降低到幾乎無法偵測(cè)的程度，成為名副其實(shí)的“深海黑洞”。

40年后，曾經(jīng)的科幻場(chǎng)景正在走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。近期，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局宣布了一項(xiàng)名為海底磁流體動(dòng)力泵原理的項(xiàng)目。其目的是生產(chǎn)出效率與傳統(tǒng)葉輪泵相當(dāng)、可靠性超過傳統(tǒng)葉輪泵，且噪音極低的新型磁流體動(dòng)力泵。

磁性液體也稱磁流體，是一種新型的功能材料。磁性液體既具有液體的流動(dòng)性，又具有固體磁性材料的磁性，就宛如流動(dòng)的“磁鐵”一樣，是材料科學(xué)領(lǐng)域的新寵，具有廣闊的發(fā)展前景。

制備“帶有磁性的液體”這一思想，最早可以追溯到18世紀(jì)40年代，當(dāng)時(shí)有科學(xué)家提出構(gòu)想，試圖將鐵屑分散懸浮在水溶液中，盡管最終未有成效，但這一想法開辟了人類對(duì)磁性液體制備的先河。

1832年，法拉第首次提出有關(guān)磁流體力學(xué)問題，以流體力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，把流場(chǎng)方程和電磁場(chǎng)方程聯(lián)立起來，探索磁流體與電磁感應(yīng)之間的關(guān)系。此后，磁流體力學(xué)作為電磁學(xué)的一個(gè)分支迅速發(fā)展。

20世紀(jì)60年代初，美國(guó)航空航天局在飽受引擎燃燒穩(wěn)定性這一阻礙登月的問題困擾時(shí)，機(jī)械工程師帕佩爾通過將磁鐵礦放在含有油酸的有機(jī)相中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間粉碎，最終成功制備出了穩(wěn)定的鐵磁流體，并在電磁場(chǎng)的幫助下泵送了火箭燃料，實(shí)現(xiàn)了磁液制備技術(shù)的重大突破。

此后，世界各國(guó)對(duì)磁性液體的研究相繼展開。美國(guó)涌現(xiàn)了一批專門研究磁性液體性質(zhì)及應(yīng)用的企業(yè)，蘇聯(lián)、日本、英國(guó)、法國(guó)等對(duì)磁性液體的研究亦如火如荼。

磁性液體及其相關(guān)技術(shù)的問世，為各個(gè)行業(yè)的發(fā)展都帶來了全新的可能，為多領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供了廣闊的發(fā)展舞臺(tái)。

材料領(lǐng)域的未來新秀

磁性液體主要由磁性顆粒、基載液和表面活性劑三部分組成，簡(jiǎn)單來說，就是由納米磁性顆粒分散在液體介質(zhì)中形成的特殊材料。磁性液體作為一種流體，其運(yùn)動(dòng)遵循流體動(dòng)力學(xué)的規(guī)律。同時(shí)，作為一類磁性物質(zhì)，其磁性能遵循電磁學(xué)規(guī)律，可通過磁場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行控制，因此具有許多獨(dú)特的電磁學(xué)和力學(xué)特性。

磁性顆粒是組成磁流體的最基本材料。這些磁性顆粒通常由鐵氧體、鎳或鈷等材料制成。當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，這些顆粒會(huì)按照磁場(chǎng)的方向進(jìn)行有序排列，使得整個(gè)液體表現(xiàn)出類似磁性固體的行為。

基載液是磁流體中體積比例最大的組成部分，同時(shí)，表面活性劑的一端與基載液有較高親和性，一端可以化學(xué)吸附在磁性顆粒表面，從而可以使磁性顆粒在布朗運(yùn)動(dòng)作用下，借助表面活性劑的分散作用，懸浮在基載液中，再通過超聲分散、機(jī)械分散等方式，形成磁性穩(wěn)定的液體。這種液體對(duì)磁場(chǎng)有明顯反應(yīng)，即使在重力作用下也不會(huì)發(fā)生聚沉。

近些年，隨著材料科學(xué)的突飛猛進(jìn)，磁性液體相關(guān)技術(shù)也在不斷發(fā)展。其中，磁性液體密封技術(shù)作為一種全新的高科技密封手段，受到了廣泛關(guān)注。當(dāng)磁性液體被置于一個(gè)磁場(chǎng)中時(shí)，磁性顆粒在磁力線的作用下會(huì)排列成鏈條狀結(jié)構(gòu)，這些鏈條沿著磁力線的方向排列，就形成了一個(gè)動(dòng)態(tài)的密封屏障，能夠吸附在磁性材料的表面上，進(jìn)而創(chuàng)建一個(gè)靈活的“液態(tài)磁”密封層。

由于其獨(dú)特的密封方式，磁性液體密封系統(tǒng)可以在很寬的溫度范圍和壓力條件下工作。由于是液體的狀態(tài)，它幾乎不受摩擦影響，從而減少了磨損，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

當(dāng)前，磁性液體已應(yīng)用于機(jī)械、電子、航空航天等領(lǐng)域，且在生物醫(yī)藥、化工、環(huán)保、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域也展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力——

在醫(yī)療領(lǐng)域，磁性液體成為治療重癥疾病的手段之一，用來向病變細(xì)胞進(jìn)行靶向非侵入式的藥物運(yùn)輸。

在環(huán)保領(lǐng)域，磁性液體被用來分離高純尼龍、聚酯等密度不同的塑料，精細(xì)化處理廢物垃圾。

在機(jī)械加工領(lǐng)域，磁流體拋光技術(shù)日益成熟，該技術(shù)通過磁場(chǎng)的控制，使磁流體內(nèi)部的納米顆粒與拋光面進(jìn)行相互摩擦接觸，實(shí)現(xiàn)精細(xì)加工拋光。

對(duì)于通信系統(tǒng)來說，諸如基站天線或移動(dòng)通信設(shè)備這類通信設(shè)備經(jīng)常置于室外，需長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)受風(fēng)吹、雨打、塵侵等自然或人為的惡劣條件影響。磁性液體密封技術(shù)能夠保護(hù)敏感的電子組件免受這些侵害，即使在極端溫度變化中也能保持原有功能，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

未來戰(zhàn)場(chǎng)的賦能利器

隨著磁性液體技術(shù)特別是密封技術(shù)的快速發(fā)展，其越來越被視作軍事裝備和武器系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。磁性液體的“神奇”功能為軍事領(lǐng)域的材料應(yīng)用提供了更為豐富的變化形式，成為未來戰(zhàn)場(chǎng)上的賦能利器。

對(duì)于通信系統(tǒng)來說，諸如基站天線或移動(dòng)通信設(shè)備這類通信設(shè)備經(jīng)常置于室外，需長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)受風(fēng)吹、雨打、塵侵等自然或人為的惡劣條件影響。磁性液體密封技術(shù)能夠保護(hù)敏感的電子組件免受這些侵害，即使在極端溫度變化中也能保持原有功能，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

此外，在當(dāng)前高度電子化的戰(zhàn)場(chǎng)上，保護(hù)設(shè)備免受電磁干擾的影響至關(guān)重要。磁性液體密封技術(shù)能夠提供電磁屏蔽的附加效益，有助于減少系統(tǒng)對(duì)電磁干擾的敏感性，提高通信設(shè)備的可靠性和安全性。

在衛(wèi)星和空間探測(cè)器中，磁性液體常見于一些動(dòng)態(tài)密封場(chǎng)合。由于衛(wèi)星、探測(cè)器上的反應(yīng)輪、陀螺儀和其他旋轉(zhuǎn)接口在維持密封的同時(shí)要允許部分移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，因此對(duì)材料的要求更高。而太空環(huán)境基本為高真空狀態(tài)，傳統(tǒng)的密封液體如油和脂肪，在真空條件下會(huì)迅速蒸發(fā)或分解，從而失去密封效用。磁性液體在這種環(huán)境下能夠憑借其納米級(jí)的鐵磁性顆粒懸浮于合成油或水等載體中，保持其形態(tài)和功能，不會(huì)蒸發(fā)或分解，進(jìn)而保持部件的密封狀態(tài)，既減少了因摩擦導(dǎo)致的能量損失，又減少了部件的磨損，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

不僅如此，磁性液體密封技術(shù)也可以用于衛(wèi)星的燃料供給系統(tǒng)，確保高能推進(jìn)劑不會(huì)泄漏到太空環(huán)境中，同時(shí)也能防止內(nèi)部氣壓在衛(wèi)星發(fā)射時(shí)的劇烈運(yùn)動(dòng)中發(fā)生危險(xiǎn)。

在地面裝甲車輛中，磁性液體通常用于保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和敏感的電子設(shè)備。這些應(yīng)用要求裝備不僅能防止液體和氣體的泄漏，還能抵御來自外界的污染物。特別是在戰(zhàn)場(chǎng)上，當(dāng)裝備受到多種沖擊和損傷時(shí)，由于磁性液體自修復(fù)的特性，在遭受小規(guī)模破壞時(shí)，其磁性顆粒可以在磁場(chǎng)的作用下重新排列，填補(bǔ)密封缺口。這樣的自修復(fù)功能，不僅可以減少保障消耗，還有利于快速作戰(zhàn)。

變速箱作為裝甲車輛中的一個(gè)關(guān)鍵組件，需要精確密封來保持潤(rùn)滑油的純凈度和防止有害物質(zhì)的侵入。磁性液體能夠在變速箱的旋轉(zhuǎn)軸處形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的密封屏障，該屏障能夠在軸旋轉(zhuǎn)時(shí)保持穩(wěn)定，防止油液泄漏，同時(shí)排除小顆?；驂m土的入侵。此外，裝甲車輛上高精度的電子設(shè)備對(duì)環(huán)境的污染極其敏感，尤其是在電子戰(zhàn)或信息化作戰(zhàn)中，磁性液體密封技術(shù)能夠?yàn)檫@些設(shè)備提供一個(gè)安全的保護(hù)殼，免受化學(xué)污染物的侵蝕，保障設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)前，磁性液體的全部?jī)r(jià)值還沒有被完全發(fā)掘，有著巨大的應(yīng)用空間和發(fā)展?jié)摿?。比如，隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備的普及，磁性液體在傳感器等領(lǐng)域也將大有可為，可以用于提高設(shè)備的靈敏度和響應(yīng)速度，等等。隨著研究的進(jìn)一步深入和技術(shù)的逐漸成熟，磁性液體無疑會(huì)成為未來軍事科技創(chuàng)新的重要推動(dòng)力量。

◎ 來源|解放軍報(bào)