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哈佛大学Nature: 磁流体显神通–多尺度,多功能,可重构表面材料

哈佛大学Nature: 磁流体显神通--多尺度,多功能,可重构表面材料

哈佛大学Nature: 磁流体显神通--多尺度,多功能,可重构表面材料

【研究背景】

能够响应外界刺激信号进而重构自身形貌且兼具多功能特性的表面材料是适应性材料的追求目标。目前,研究者对凝胶材料、形状记忆材料、液晶结构和复合材料的表面形貌重构特性进行了研究。但是,这些材料的形貌重构尺寸范围有限,形状简单,功能单一。因此,实现多尺度和多功能可重构表面形貌材料存在巨大挑战。

【成果简介】

近日,哈佛大学Joanna Aizenberg教授团队在Nature发表题为“Multifunctional ferrofluid-infused surfaces with reconfigurable multiscale topography”的最新研究成果,Wendong Wang博士和Jaakko V. I. Timonen博士是该文章的共同第一作者。文章巧妙地结合磁流体和表面结构设计,为形貌重构材料的多尺度多功能应用提供了新思路。

【研究亮点】

(1)设计微米级沟槽结构表面,将磁流体浇灌在该表面,获得FLIPS (ferrofluid-containing liquid-infused porous)结构,引入毛细管力和磁力,实现完全不同于平整表面的多尺度表面形貌重构;

(2)FLIPS结构功能丰富,集合了无磁性胶体颗粒和液滴输送、表面粘附力调控、液体泵送和残留生物膜清除等多个独立的功能。

【主要内容】

FLIPS结构实现表面形貌的多尺度重构

哈佛大学Nature: 磁流体显神通--多尺度,多功能,可重构表面材料

图一 磁流体在不同表面的形貌重构异同

(a) 平整表面,磁流体表面产生毫米级突起结构;

(b) 沟槽结构表面,磁流体的多尺度形貌重构,重构主要与位置有关。

磁流体是将磁性纳米颗粒均匀分散于液体中形成的胶状液体,称为液态磁铁。将磁流体置于平整的表面上,无磁场时,磁流体平铺于表面,施加外磁场后,磁性颗粒在磁力作用下重新分布,产生表面凸起结构(图1a)。该现象被人们熟知且在工业中有成熟的应用。但是,这种结构的形貌重构尺寸在微米级别,形状单一简单。

当磁流体在沟槽结构的非平整表面时(FLIPS),磁场对磁流体表面形貌重构组则完全不同于平整表面。无磁场时,磁流体平铺于表面,与平整表面无区别。然而,当在该表面下面放置磁铁后,在磁力(磁场不均匀)和微米孔道毛细管力的作用下,磁流体在图一b中的(1)(2)(3)三个位置产生了不同的形貌变化。在FLIPS结构中,磁流体同时受到毛细管力和磁力的作用,当磁力大于毛细管力时,磁流体逐渐向磁铁靠近,形成位置(3)的团簇结构。在位置(1),由于磁流体逐渐向位置(3)移动,其表面低于孔道岩壁,产生条纹状结构。位置(2)的磁力和毛细管力相当,结构暂不发生变化。

结果表明,在FLIPS结构中,形貌重构的影响因素多,赋予该结构丰富的功能特性。影响因素包括:(a)磁流体的性质;(b)沟槽表面的结构特征;(c)外磁场的排列分布方式和强度。

FLIPS结构的多尺度和多功能应用

FLIPS结合了毛细力、磁流体的流动性和磁场对磁流体的作用力三个特性,呈现了诸多有趣的功能。

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图二 FLIPS结构对非磁性胶体颗粒的重排和输运

(a) 无磁场,胶体颗粒呈无规分布;

(b) 施加磁场,胶体颗粒沿沟槽呈链状分布;

(c)-(e) 磁场开关转换中,胶体颗粒输运示意图;

(f) 磁场开关转换中,胶体颗粒位置和时间的关系;

(g) 无FLIPS时,胶体颗粒呈团簇排布;

(h) FLIPS结构中,胶体颗粒重排结构丰富,呈链状+孤岛状排列。

要点解释:FLIPS结构能够在微米尺度对磁流体的形貌产生影响,所以该结构实现了对胶体颗粒的多尺度排列。此外,该方法也能够利用磁场不均匀性,对水中的胶体颗粒进行定向输运。

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图三 FLIPS结构对毫米级液滴运动行为和表面性质的调控

(a) 磁铁距离不同时,斜面上磁流体的磁力大小分布示意图;

(b)-(c) 改变磁铁与斜面的距离,对斜面上水滴实现钉扎和团簇排列,液滴附近磁场强时,能够将液滴钉扎在斜面上;

(d) 在空气气氛中,水滴表面被一层磁流体包覆;在烃类气氛中,水滴表面的磁流体消失;

(f)-(g) 精确控制液滴间的混合时间和行为,FLIPS能够延迟液滴的混合。

要点解释:改变磁铁与斜面的距离,调控磁场分布和大小,进而控制FLIPS形貌,最终实现对毫米级液滴行为的控制。利用气氛切换,通过影响界面能的大小,进而实现对液滴表面性质的控制,为微型反应器提供了一种思路。

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图四 磁场开关和方向转换对FLIPS结构的粘附力、液体泵送和生物膜清除功能的影响

(a) 磁场对粘附力的影响,当磁场关闭时,粘附能力强,重物被提起,当磁场关闭时,粘附能力小,重物不移动,可作为重复使用的粘附剂;

(b) 连续转换磁铁方向,FLIPS中的磁流体运动,进而推动液体运动,实现液体泵送,右侧瓶子中的液体被泵送至左侧瓶子;

(c) 磁铁旋转,磁流体形貌重构,生物膜随着运动,最终被清除。

要点解释:控制磁力的开关,对FLIPS结构和两相界面的粘附力进行调控,表明该结构能够用做重复可逆的粘附剂。当磁力方向不断的变化时,FLIPS结构的表面形貌发生连续不断的重构,在此过程中,磁流体不断的运动,进而推动液体或者表面的生物膜的移动,实现了液体泵送和生物膜清除。

【总结与展望】

研究者结合表面结构引入的毛细管力、磁流体的流动性以及磁场对磁流体的作用力,通过对FLIPS结构的表面形貌进行多尺度重构,成功地将非磁性胶体颗粒重排和输送、液滴的运动行为和表面性质控制、磁流体粘附力调控、液体泵送和生物膜清除等独立的功能集合在一种材料中,为该材料在智能表面材料和脑机接口交互方面的应用打开了大门。

【文献链接】

Multifunctional ferrofluid-infused surfaces with reconfigurable multiscale topography, (Nature, 559.7712 (2018): 77).

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-018-0250-8

供稿 | 深圳市清新电源研究院

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | 姚斌

主编 | 张哲旭


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