醫(yī)學(xué)院劉靜課題組發(fā)明液態(tài)金屬磁性抓手：可操控任意形狀非磁性物體 時(shí)間：2021-08-20
實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、非接觸式的控制手段在醫(yī)療輔助與救護(hù)，動(dòng)植物生物制品操控，以及軍事和工業(yè)抓手等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。在各種控制手段中，磁場(chǎng)作為一種頗具前景的控制途徑滿足以上的技術(shù)要求。然而絕大部分動(dòng)植物，生物制品，玻璃、紙張、銅等非磁性物體難以被磁場(chǎng)操控。因此，如何通過(guò)磁場(chǎng)可逆操控非磁性物體具有重要的科學(xué)研究意義和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。可直接控制空氣中磁場(chǎng)的“萬(wàn)磁王”曾在以往的科幻電影中被構(gòu)想出來(lái)?，F(xiàn)在，這樣的科幻應(yīng)用場(chǎng)景在現(xiàn)實(shí)中被最新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)部分證實(shí)。
近日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系劉靜教授課題組以封面論文形式在國(guó)際知名期刊《Advanced Functional Materials》發(fā)表了題為 “A Liquid Gripper Based on Phase Transitional Metallic Ferrofluid”的研究論文，提出了一種基于磁性液態(tài)金屬相變實(shí)現(xiàn)的磁場(chǎng)操控非磁性物體策略。封面論文如圖1所示。
圖1.《先進(jìn)功能材料》期刊封面故事反映磁控非磁性物體液態(tài)抓手研究
這是基于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的一種可快速相變的金屬磁流體衍生技術(shù)。我們知道大部分磁性材料如鐵、鈷、鎳等金屬是難以變形的固體狀態(tài)，雖然有機(jī)磁流體可以變形，但是卻難以維持住穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在此次發(fā)表的研究中，高濃度鹽酸環(huán)境誘發(fā)液態(tài)金屬“胞吞”磁性金屬顆粒，從而形成具有穩(wěn)定磁性的過(guò)渡態(tài)磁流體(Transitional ferrofluid TF)，簡(jiǎn)稱(chēng)TF，TF的熔點(diǎn)稍高于室溫, 室溫下為固態(tài)。液態(tài)TF可被磁場(chǎng)控制運(yùn)動(dòng)和變形，從而鉆過(guò)比自身體積狹小的縫隙。液態(tài)TF亦可在磁場(chǎng)下產(chǎn)生針刺結(jié)構(gòu)，而當(dāng)撤去磁場(chǎng)后，不同于傳統(tǒng)磁流體的刺狀結(jié)構(gòu)迅速消失，TF在室溫下可快速固化，針刺結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定維持，固態(tài)TF彈性模量超過(guò)3.6GPa。值得強(qiáng)調(diào)的是，TF固化后可對(duì)接觸物體產(chǎn)生很強(qiáng)的黏附力。如圖2所示，滴落在玻璃上的TF固化后，可以與玻璃緊密地黏附在一起，甚至可以承受500g的重物而不掉落。
圖2. 過(guò)渡態(tài)磁流體相變過(guò)程中可引起粘附力改變，結(jié)合其磁性，可實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)操控任意形狀的非磁性物體。
基于TF相變實(shí)現(xiàn)磁控非磁性物體的過(guò)程如圖2所示，首先，液態(tài)TF接觸目標(biāo)物體，在室溫下（T=25oC）TF快速固化并黏附在物體表面，無(wú)需外界能量供應(yīng)。此時(shí)，整個(gè)物體即可響應(yīng)外界磁場(chǎng)。磁場(chǎng)操控結(jié)束后，稍微加熱即可熔化TF，粘附力下降，TF與物體分離。
本研究還揭示了TF凝固速度是純液態(tài)金屬的39倍，這是由于TF中的磁性微顆粒作為凝結(jié)核，有效減少了液態(tài)金屬凝固的過(guò)冷效應(yīng)，加速了固化過(guò)程，圖3展示了TF和液態(tài)金屬鎵的固化過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化。
TF具有良好的導(dǎo)電性，可在交變磁場(chǎng)下形成感應(yīng)渦流，產(chǎn)生焦耳熱可熔化自身。由于添加了磁性顆粒，相比于純液態(tài)金屬，TF加熱效率提升超過(guò)18倍。實(shí)驗(yàn)展示了置于水中的鎵以及TF在交變磁場(chǎng)下的加熱效果，如圖3所示，隨著時(shí)間的增加，含有TF的水溫上升明顯快于液態(tài)金屬鎵。TF相變速率的提升可有效增強(qiáng)該磁性抓手的工作效率。
圖3 TF(a)與液態(tài)金屬鎵(b)的固化過(guò)程微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)比；在交變磁場(chǎng)下，純鎵和TF加熱速率對(duì)比。
較為獨(dú)特的是，TF可通過(guò)表面黏附或液態(tài)包裹的方式“抓取”物體，不會(huì)破壞物體結(jié)構(gòu)，甚至可以黏附抓取雞蛋等脆性物體；全液態(tài)的TF對(duì)需抓取物體的形狀沒(méi)有限制，理論上可控制任意形狀和尺寸的物體。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，僅使用10gTF，固化可產(chǎn)生的最大鎖定力超過(guò)1100N，這相當(dāng)于可抓取超過(guò)自身質(zhì)量10000倍的物體。而熔化后的鎖定力小于0.01N；TF相變可在較小的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并且完全可逆，因此TF抓手能多次重復(fù)使用。
如圖4所示，本研究展示了磁場(chǎng)操控雞蛋、蘋(píng)果、玻璃燒杯、培養(yǎng)皿等非磁性材料，以及控制輸液橡膠管完成選擇性輸送藥物的目標(biāo)。這一發(fā)現(xiàn)可為手術(shù)機(jī)器人、工業(yè)抓取、農(nóng)業(yè)采摘、轉(zhuǎn)印等領(lǐng)域提供新的操控策略。
? ? 圖4. 磁控雞蛋、蘋(píng)果、實(shí)驗(yàn)玻璃器材以及磁場(chǎng)輔助選擇性釋放藥物
那么在不遠(yuǎn)的將來(lái)，“磁控萬(wàn)物”這一科幻目標(biāo)會(huì)成為現(xiàn)實(shí)嗎?
論文在線發(fā)表后引發(fā)了知名科學(xué)雜志或新聞網(wǎng)站的重視，Deeptech深科技對(duì)此進(jìn)行了專(zhuān)訪、高分子科學(xué)前沿、網(wǎng)易等對(duì)此進(jìn)行了專(zhuān)題報(bào)道。
清華大學(xué)水木學(xué)者汪鴻章博士為文章第一作者，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授劉靜、清華大學(xué)化學(xué)系講席教授危巖及北航生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心副研究員胡靚為本文共同通訊作者。相應(yīng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金以及清華大學(xué)水木學(xué)者基金資助。
論文鏈接： https://doi.org/10.1002/adfm.202100274
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