磁性液體究竟有多神奇

姚昌松　方鴻

如果你曾看過電影《毒液》，想必一定會對電影中充滿科技感的場景印象深刻：不斷流動的“毒液”，就像四處噴涌的黑色觸手，向著指定的方向一直延伸，給人強烈的視覺震撼。

藝術源于生活?，F如今，在現實世界中，有一種和電影中的“毒液”一樣神奇的材料，正受到各國科研人員的廣泛關注。它們既可以像液體一樣自由流動，又能夠被磁場控制進行定向移動，這就是磁性液體。

磁性液體從科幻走進現實

早在40年前，曾有軍事小說家描繪過一艘人類理想中的完美潛艇，它沒有螺旋槳卻安裝了“履帶系統”，即超導磁性壓水式推進器，可以讓潛艇在高速行進的同時，把噪音降低到幾乎無法偵測的程度，成為名副其實的“深海黑洞”。

40年后，曾經的科幻場景正在走進現實。近期，美國國防高級研究計劃局宣布了一項名為海底磁流體動力泵原理的項目。其目的是生產出效率與傳統葉輪泵相當、可靠性超過傳統葉輪泵，且噪音極低的新型磁流體動力泵。

磁性液體也稱磁流體，是一種新型的功能材料。磁性液體既具有液體的流動性，又具有固體磁性材料的磁性，就宛如流動的“磁鐵”一樣，是材料科學領域的新寵，具有廣闊的發展前景。

制備“帶有磁性的液體”這一思想，最早可以追溯到18世紀40年代，當時有科學家提出構想，試圖將鐵屑分散懸浮在水溶液中，盡管最終未有成效，但這一想法開辟了人類對磁性液體制備的先河。

1832年，法拉第首次提出有關磁流體力學問題，以流體力學和電動力學為基礎，把流場方程和電磁場方程聯立起來，探索磁流體與電磁感應之間的關系。此后，磁流體力學作為電磁學的一個分支迅速發展。

20世紀60年代初，美國航空航天局在飽受引擎燃燒穩定性這一阻礙登月的問題困擾時，機械工程師帕佩爾通過將磁鐵礦放在含有油酸的有機相中進行長時間粉碎，最終成功制備出了穩定的鐵磁流體，并在電磁場的幫助下泵送了火箭燃料，實現了磁液制備技術的重大突破。

此后，世界各國對磁性液體的研究相繼展開。美國涌現了一批專門研究磁性液體性質及應用的企業，蘇聯、日本、英國、法國等對磁性液體的研究亦如火如荼。

磁性液體及其相關技術的問世，為各個行業的發展都帶來了全新的可能，為多領域的技術創新提供了廣闊的發展舞臺。

材料領域的未來新秀

磁性液體主要由磁性顆粒、基載液和表面活性劑三部分組成，簡單來說，就是由納米磁性顆粒分散在液體介質中形成的特殊材料。磁性液體作為一種流體，其運動遵循流體動力學的規律。同時，作為一類磁性物質，其磁性能遵循電磁學規律，可通過磁場對其進行控制，因此具有許多獨特的電磁學和力學特性。

磁性顆粒是組成磁流體的最基本材料。這些磁性顆粒通常由鐵氧體、鎳或鈷等材料制成。當外加磁場時，這些顆粒會按照磁場的方向進行有序排列，使得整個液體表現出類似磁性固體的行為。

基載液是磁流體中體積比例最大的組成部分，同時，表面活性劑的一端與基載液有較高親和性，一端可以化學吸附在磁性顆粒表面，從而可以使磁性顆粒在布朗運動作用下，借助表面活性劑的分散作用，懸浮在基載液中，再通過超聲分散、機械分散等方式，形成磁性穩定的液體。這種液體對磁場有明顯反應，即使在重力作用下也不會發生聚沉。

近些年，隨著材料科學的突飛猛進，磁性液體相關技術也在不斷發展。其中，磁性液體密封技術作為一種全新的高科技密封手段，受到了廣泛關注。當磁性液體被置于一個磁場中時，磁性顆粒在磁力線的作用下會排列成鏈條狀結構，這些鏈條沿著磁力線的方向排列，就形成了一個動態的密封屏障，能夠吸附在磁性材料的表面上，進而創建一個靈活的“液態磁”密封層。

由于其獨特的密封方式，磁性液體密封系統可以在很寬的溫度范圍和壓力條件下工作。由于是液體的狀態，它幾乎不受摩擦影響，從而減少了磨損，延長了設備的使用壽命。

當前，磁性液體已應用于機械、電子、航空航天等領域，且在生物醫藥、化工、環保、醫療等多個領域也展現出了巨大的應用潛力——

在醫療領域，磁性液體成為治療重癥疾病的手段之一，用來向病變細胞進行靶向非侵入式的藥物運輸。

在環保領域，磁性液體被用來分離高純尼龍、聚酯等密度不同的塑料，精細化處理廢物垃圾。

在機械加工領域，磁流體拋光技術日益成熟，該技術通過磁場的控制，使磁流體內部的納米顆粒與拋光面進行相互摩擦接觸，實現精細加工拋光。

對于通信系統來說，諸如基站天線或移動通信設備這類通信設備經常置于室外，需長時間經受風吹、雨打、塵侵等自然或人為的惡劣條件影響。磁性液體密封技術能夠保護敏感的電子組件免受這些侵害，即使在極端溫度變化中也能保持原有功能，確保設備穩定運行。

未來戰場的賦能利器

隨著磁性液體技術特別是密封技術的快速發展，其越來越被視作軍事裝備和武器系統中的一項關鍵技術。磁性液體的“神奇”功能為軍事領域的材料應用提供了更為豐富的變化形式，成為未來戰場上的賦能利器。

對于通信系統來說，諸如基站天線或移動通信設備這類通信設備經常置于室外，需長時間經受風吹、雨打、塵侵等自然或人為的惡劣條件影響。磁性液體密封技術能夠保護敏感的電子組件免受這些侵害，即使在極端溫度變化中也能保持原有功能，確保設備穩定運行。

此外，在當前高度電子化的戰場上，保護設備免受電磁干擾的影響至關重要。磁性液體密封技術能夠提供電磁屏蔽的附加效益，有助于減少系統對電磁干擾的敏感性，提高通信設備的可靠性和安全性。

在衛星和空間探測器中，磁性液體常見于一些動態密封場合。由于衛星、探測器上的反應輪、陀螺儀和其他旋轉接口在維持密封的同時要允許部分移動或旋轉，因此對材料的要求更高。而太空環境基本為高真空狀態，傳統的密封液體如油和脂肪，在真空條件下會迅速蒸發或分解，從而失去密封效用。磁性液體在這種環境下能夠憑借其納米級的鐵磁性顆粒懸浮于合成油或水等載體中，保持其形態和功能，不會蒸發或分解，進而保持部件的密封狀態，既減少了因摩擦導致的能量損失，又減少了部件的磨損，延長設備的使用壽命。

不僅如此，磁性液體密封技術也可以用于衛星的燃料供給系統，確保高能推進劑不會泄漏到太空環境中，同時也能防止內部氣壓在衛星發射時的劇烈運動中發生危險。

在地面裝甲車輛中，磁性液體通常用于保護傳動系統、液壓系統和敏感的電子設備。這些應用要求裝備不僅能防止液體和氣體的泄漏，還能抵御來自外界的污染物。特別是在戰場上，當裝備受到多種沖擊和損傷時，由于磁性液體自修復的特性，在遭受小規模破壞時，其磁性顆?？梢栽诖艌龅淖饔孟轮匦屡帕?，填補密封缺口。這樣的自修復功能，不僅可以減少保障消耗，還有利于快速作戰。

變速箱作為裝甲車輛中的一個關鍵組件，需要精確密封來保持潤滑油的純凈度和防止有害物質的侵入。磁性液體能夠在變速箱的旋轉軸處形成一個動態的密封屏障，該屏障能夠在軸旋轉時保持穩定，防止油液泄漏，同時排除小顆粒或塵土的入侵。此外，裝甲車輛上高精度的電子設備對環境的污染極其敏感，尤其是在電子戰或信息化作戰中，磁性液體密封技術能夠為這些設備提供一個安全的保護殼，免受化學污染物的侵蝕，保障設備正常運轉。

當前，磁性液體的全部價值還沒有被完全發掘，有著巨大的應用空間和發展潛力。比如，隨著物聯網和智能設備的普及，磁性液體在傳感器等領域也將大有可為，可以用于提高設備的靈敏度和響應速度，等等。隨著研究的進一步深入和技術的逐漸成熟，磁性液體無疑會成為未來軍事科技創新的重要推動力量。

◎ 來源|解放軍報