撰文丨Hayley Bennett
编译丨王威 （哈尔滨工业大学（深圳）教授）
磁流体最近很火，但和当年发明者所想象的并不一样。
1963年，美国国家航空航天局（NASA）刘易斯研究中心（现哥伦研究中心）的火箭科学家们发现了一个可能会阻碍宇航员登月的关键问题：引擎燃烧稳定性。为此，科学家们日以继夜测试了几百种不同的燃烧室设计和液态氢发动机的喷射器。在这些人中，有一位名叫Solomon Papell的机械工程师，人们叫他Steve，是一名前陆军航空队的领航员，他当时正在研究一个液体推进剂的问题：在零重力下，重新启动发动机时，如何把液体燃料送到燃烧室？Papell的解决思路是，把磁粉混入火箭燃料中，然后用强磁场把燃料吸到燃烧室中。
NASA工程师Steve Papell丨图源：NASA
这个方法很有效，但遗憾并没有被采纳。德国斯图加特大学空间系统研究所的研究员Manfred Ehresmann解释说，因为在燃料中加入磨碎的氧化铁颗粒会影响火箭的效率，导致燃烧不理想，显然不适合火箭科学家们。尽管如此，Papell还是在1965年为他开发的铁磁流体方法获得了专利。后来的历史证明，铁磁流体（ferrofluid）大有可为，而不仅仅是在零重力作用下。
什么是磁流体？
当周围没有磁场时，磁流体就像普通的液体一样；但当装有磁流体的容器放到强磁场旁边时，磁流体表面就会变硬，还会长出许多尖刺，指向磁场线方向。这种现象被称为罗森威格失稳（Rosensweig instability），得名于已退休的美国化学家Ronald Rosensweig，他对磁流体研究做出了许多贡献。另一种有趣的现象是，如果把磁流体倒在悬浮在超导体的磁体上，磁流体还可以悬浮在半空中。尽管磁流体没能用作燃料，但以上这些奇特的性质却很适合用作酷炫的科普展示
磁流体在磁场中的尖刺丨图源：参考资料
说了这么多，什么是磁流体？它的科学本质，是大量磁性微纳米颗粒悬浮在水或者油中所形成的具有磁性的胶体悬浊液。这些磁性颗粒可以通过在表面活性剂中研磨氧化铁粉体获得，也可以直接化学合成，所以也叫铁磁流体（ferrofluid原意即为含铁的流体；磁性流体magnetic fluid概念更广，本文的磁流体均指铁磁流体）。
因为这些颗粒尺寸很小，只有3~15纳米大，所以在没有外加磁场的时候会呈现出强烈的布朗运动，因此能够保持悬浮而不聚沉；但在强磁场中时，磁流体中的磁纳米颗粒会拖拽周围的液体，从而使磁流体像液体一样流动，这也正是Papell所提出的方案的精髓。这其中关键的一点，是需要确保纳米颗粒是顺磁的，这意味着它们只会在有外加磁场的时候产生磁性，而并不会永久磁化。所以，当撤去磁场时，磁流体中的颗粒就会失去磁性，恢复原先的布朗运动，从而让磁流体能够恢复流动。
与顺磁体不同，我们日常生活中的磁铁一般是用所谓“铁磁材料”制成的。它们生产出来以后会经过强磁场磁化，即便磁场撤去也会一直保持固定磁化方向和大小。硬盘中的磁性材料也是铁磁体，被磁化后能够储存信息而不消失，只有被新的磁场重新磁化后，信息才会被抹除。
当然，如今磁流体的应用几乎都和燃烧无关。例如，过去40年中磁流体最广泛的应用是用于电脑硬盘等旋转部件的液体密封——磁流体被磁场固定住，确保组件能够平滑、高速旋转，并极大地降低了噪音或震动。正如同Ronald Rosensweig在1985年出版的 Ferrohydrodynamic （《铁磁流体力学》）一书中所提到的，“没有这重要的一滴磁流体，整个装置都会无法运作。”
过去十年间，人们又重拾了对磁流体的兴趣，在生物医药、液态机器人、塑料回收以及环境污染治理等方面，为它找到了层出不穷的新兴应用。
生物医用磁流体
基
标签：磁流体,究竟
