Advanced Materials:磁极可重构的液态金属永磁体

磁性复合功能材料的磁控效应使其在软体机器人、柔性电子、能源技术和生物医学等领域显示出巨大的应用价值,引起了人们极大的研究兴趣。比如,磁流体由顺磁性固体颗粒、界面活性剂和基载液等混合而成的一种稳定的悬浮液,既具有液体的流动变形性又具有固体的顺磁性。但该磁性仅当外界磁场激励时才存在,本身并不具备永磁特性。磁流体的基载液多采用水和油,不仅导电性能差,且与磁性颗粒存在较大密度差异从而导致沉淀现象。这些问题限制了磁流体的实际应用。

中国农业大学工学院何志祝研究小组针对这一问题,以室温镓基液态金属为基载液和钕铁硼微颗粒为磁性载体,制备出磁极可重构的液态金属永磁体,革新了传统的永磁体固体特性和磁流体的电绝缘线,其特有的高导电(>106S/m)和剩磁性(>30emu/g)以及类似于橡皮泥状的可重构性,有望在柔性电子和软体机器人等方面展现出崭新应用。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202000827,back cover paper)上。

液态金属永磁体的导电性源于基载液自身的高导电性,而其宏观永磁性则源于钕铁硼颗粒磁极取向排列。通过钕铁硼含量和充磁强度的选择,可调控基载液中磁性颗粒之间相互作用,从而实现对液态金属永磁体的粘度和磁性强度的调控。当钕铁硼含量达40 wt%时,经饱和充磁处理后的液态金属基载液被牢牢束缚在磁性颗粒相互连接的三维多孔中,其整体行为类似于橡皮泥,可被重复塑造成各种形态。在重塑过程中,钕铁硼颗粒磁极取向被打乱,从而导致宏观磁性消失,实现机械力学去磁。其宏观磁性可通过脉冲充磁改变钕铁硼颗粒内在磁极而恢复。对于液态金属永磁体薄膜,可通过外界磁场诱导磁性颗粒磁极取向的机械力学方式,实现对局部磁极进行重构。基于上述独特的电磁和力学特性,论文还展示了磁性电路打印、磁控开关和传感、柔性纸基磁存储、磁控软体机器人等应用。特别是,通过将液态金属永磁体涂敷在纸条上并对其进行局部磁极重构,实现了一种纸基磁控蠕动爬行机器人,其爬行速度高达29.7mm/s。本项研究拓宽了磁性复合功能材料的内涵,同时为柔性电子和软体机器等领域发展提供了新的思路。