原创 Hayley Bennett 返朴

磁流体源于美国登月工程时期的火箭燃料计划，现在常呈此刻科学与艺术美好团结的展示中，而它着实已经在机器工程、电子装备等财富界应用数十年之久。最近几年，科学家又不绝找到它新的应用场景，治疗癌症、体内递药、垃圾分类、处理赏罚石油泄漏……这项旧科技正在抖擞新活力。

撰文丨Hayley Bennett

编译丨王威（哈尔滨家产大学（深圳）传授）

磁流体最近很火，但和昔时发现者所想象的并纷歧样。

1963年，美国国度航空航天局（NASA）刘易斯研究中心（现哥伦研究中心）的火箭科学家们发明白一个也许会阻碍宇航员登月的要害题目：引擎燃烧不变性。为此，科学家们日以继夜测试了几百种差异的燃烧室计划和液态氢动员机的喷射器。在这些人中，有一位名叫Solomon Papell的机器工程师，人们叫他Steve，是一名前陆军航空队的领航员，他其时正在研究一个液体推进剂的题目：在零重力下，从头启动动员机时，怎样把液体燃料送到燃烧室？Papell的办理思绪是，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

这个要领很有用，但遗憾并没有被采用。德国斯图加特大学空间体系研究所的研究员Manfred Ehresmann表明说，由于在燃料中插手磨碎的氧化铁颗粒会影响火箭的服从，导致燃烧不抱负，显然不得当火箭科学家们。尽量云云，Papell照旧在1965年为他开拓的铁磁流体要领得到了专利。其后的汗青证明，铁磁流体（ferrofluid）大有可为，而不只仅是在零重力浸染下。

什么是磁流体？

当周围没有磁场时，磁流体就像平凡的液体一样；但当装有磁流体的容器放到强磁场旁边时，磁流体外貌就会变硬，还会长出很多尖刺，指向磁场线偏向。这种征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很多孝顺。另一种风趣的征象是，假如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。尽量磁流体没能用作燃料，但以上这些怪异的性子却很适实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[2]

悬浮磁流体丨视频来历：Tech Planet

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可能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外貌活性剂中研磨氧化铁粉体得到，也可以直接化学合成，以是也叫铁磁流体（ferrofluid原意即为含铁的流体；磁性流体magnetic fluid观念更广，本文的磁流体均指铁磁流体）。

由于这些颗粒尺寸很小，只有3~15纳米大，以是在没有外加磁场的时辰会泛起出凶猛的布朗行为，因此可以或许保持悬浮而不聚沉；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活动，这也正是Papell所提出的方案的精华。这个中要害的一点，是必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辰发生磁性，而并不会永世磁化。以是，当撤去磁场时，磁流体中的颗粒就会失去磁性，恢复兴先的布朗行为，从而让磁流体可以或许规复活动。

与顺磁体差异，我们一般糊口中的磁铁一样平常是用所谓“铁磁原料”制成的。它们出产出来往后会颠末强磁场磁化，即便磁场撤去也会一向保持牢靠磁化偏向和巨细。硬盘中的磁性子料也是铁磁体，被磁化后可以或许储存信息而不用失，只有被新的磁场从头磁化后，信息才会被抹除。

虽然，现在磁流体的应用险些都和燃烧无关。譬喻，已往40年中磁流体最普及的应用是用于电脑硬盘等旋转部件的液体密封——磁流体被磁场牢靠住，确保组件可以或许滑腻、高速旋转，并极大地低落了噪音或震动。正犹如Ronald Rosensweig在1985年出书的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，整个装置城市无法运作。”

已往十年间，人们又重拾了对磁流体的乐趣，在生物医药、液态呆板人、塑料接纳以及情形污染管理等方面，为它找到了层出不穷的新兴应用。

生物医用磁流体

基于能被磁场长途操控的特点，研究职员开拓出了磁性纳米颗粒新的应用场景，尤其是对生物医药成长很有效。Neil Telling传授是英国基尔大学（Keele University）的一名纳米物理专家，他在研究一种叫作磁纳米颗粒热疗（Magnetic nanoparticle hyperthermia）的技能：向磁纳米颗粒提供能量，它无法储存的那部门能量就以热的情势披发出去，以此可以加热四面的细胞。研究表白，癌细胞比正常细胞更不耐热，只必要操作这种技能把细胞加热到40℃~42℃即可杀死癌细胞。通过长途加热磁纳米颗粒，有望将深藏于体内的肿瘤没落，因此这项技能受到普及存眷。

位于柏林的MagForce公司开拓了一款用于治疗脑瘤的磁流体产物Nanotherm，于2011年在欧盟获批行使，但今朝还只有5家诊所回收。在治疗进程中，患者躺在一台发生交变磁场的呆板中，这台呆板可以或许发射聚焦磁场，浸染于打针了磁流体的肿瘤部位从而加热细胞。今朝，他们在美国开展了用于火线腺癌治疗的临床试验，并于本年2月公布已经在10位患者身上看到了疗效。这种磁流体加热技能并不但范围于癌症治疗，Telling传授的团队2019年初次操作这种技能杀死了导致热带疾病利什曼病的寄生虫。另外，俄亥俄州肯特州立大学的研究职员还在近期操作这种技能破除了人脑细胞中与阿尔茨海默病有关的淀粉样斑块。

MagForce公司正在开拓操作磁流体治疗癌症的技能丨图源：MagForce

不外，让这些磁性纳米颗粒在尝试室中加热细胞，和加热真正的人体组织，如故是两回事。Telling传授向我们表明，由于肿瘤周围的生物情形和尝试室有很大不同，因此在肿瘤中加热这些磁纳米颗粒的时辰，它的热相应也和尝试室内完全纷歧样。个中部门缘故起因，是针对某一个诊疗的应用凡是要定制非凡的磁纳米颗粒；而今朝常见的磁纳米颗粒大多是被核准用于核磁共振的，并不出格适实用于加热疗法。

磁流体变形记