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本文由通讯作者-刘静教授、第一作者-汪鸿章博士受邀撰写，由衷感谢他们对科匠文化-学术编辑部的支持！

一、研究背景：

科幻电影中“万磁王”可直接控制空气中的磁场，从而控制磁性金属的运动和变形。磁场作为一种非接触式、实时、精准、灵活的控制手段被广泛应用于军事、工业抓手、机器人驱动、医疗辅助等众多领域。然而玻璃、木头、纸张、铜、铝等非磁性物体却难以通过磁场进行操控。如何通过磁场可逆操控非磁性物体具有重大的科学研究意义和工业应用价值。

二、文章简介：

近日，清华大学联合中科院理化所以及北京航空航天大学首次报道了一种基于磁性液态金属相变实现的磁场操控非磁性物体策略。这是基于实验室研发的一种可快速相变的金属过渡态磁流体（Transitionalferrofluid）衍生技术，简称TF。值得强调的是，TF固化后可对接触物体产生强大黏附力，图1展示了固化后的TF可以逆重力牢牢黏附在光滑玻璃表面，同时还可对包裹的砝码产生机械锁定力，当受热融化后粘附力（锁定力）消失，TF与物体分离。基于TF相变实现磁控非磁性物体的操作流程如下图所示，首先，液态TF接触目标物体，在室温下（T=25oC）TF快速固化并黏附在物体表面，无需外界能量供应。此时，整个物体即可响应外界磁场。磁场操控结束后，稍微加热（人体温度）即可熔化TF，粘附力下降，TF与物体分离。相关研究成果发表在AdvancedFunctionalMaterials上，清华大学水木学者博士后汪鸿章为文章第一作者，清华大学医学院教授、中科院理化所研究员刘静、清华大学化学系讲席教授危岩及北航生物医学工程高精尖创新中心副研究员胡靓为本文共同通讯作者。

图1.过渡态磁流体相变过程中可引起粘附力改变，结合其磁性，可实现磁场操控任意形状的非磁性物体。

三、研究内容：

众所周知，大部分磁性材料如铁、钴、镍等金属是难以变形的固态，而有机磁流体可以变形，但是却难以维持住稳定的结构。在这项研究中，高浓度盐酸环境诱发液态金属“胞吞”磁性金属颗粒，从而具有稳定磁性的过渡态磁流体TF，其熔点稍高于室温。如图2所示，液态TF可被磁场控制运动和变形，从而钻过比自身体积狭小的缝隙。液态TF亦可在磁场下产生针刺结构，而当撤去磁场后，不同于传统磁流体的刺状结构迅速消失，TF在室温下可快速固化，针刺结构可以稳定维持，固态TF弹性模量超过3.6GPa。

图2.液态TF可以流动和变形，固化后可以稳定维持住瞬间结构。

TF可通过表面黏附或液态包裹的方式“抓取”物体，不会破坏物体结构，甚至可以黏附抓取鸡蛋等脆性物体；全液态的TF对待抓取物体的形状没有限制，理论上可控制任意形状和尺寸的物体。实验发现，仅使用10g的TF，固化可产生的最大锁定力超过N，而熔化后的锁定力小于0.01N；TF相变可在较小的温度范围内实现，并且完全可逆，因此TF抓手能多次重复使用。

本研究还揭示了TF凝固速度是纯液态金属的39倍，这是由于过TF中的磁性微颗粒作为凝结核，有效减少了液态金属凝固的过冷效应，加速了固化过程。图3展示了TF和液态金属镓的固化过程中的微观结构变化。TF具有良好的导电性，可在交变磁场下形成感应涡流，产生焦耳热可熔化自身。由于添加了磁性颗粒，相比于纯液态金属，TF加热效率提升超过18倍。实验展示了置于水中的镓以及TF在交变磁场下的加热效果，如图3所示，随着时间的增加，含有TF的水温上升明显快于液态金属镓。TF相变速率的提升可有效增强该磁性抓手的工作效率。

图3.TF（a）与液态金属镓（b）的固化过程微观结构变化对比；在交变磁场下，纯镓和TF加热速率对比。

四、总结与展望：

本研究展示了磁场操控鸡蛋、苹果、玻璃烧杯、培养皿等非磁性材料，以及控制输液橡胶管完成选择性输送药物的目标。这一液态磁性抓手可以利用磁场抓取脆性物体以及任意形状的非磁性物体，为手术机器人、工业抓取、农业采摘、转印等领域提供新的操控策略。

图4.磁控鸡蛋、苹果、实验玻璃器材以及磁场辅助选择性释放药物。

五、致谢：

感谢国家自然科学基金，北京市自然科学基金，清华大学水木学者基金的资助。

点击文末「阅读原文」，直达文献。

Authors:HongzhangWang,SenChen,HaoweiLi,XianzheChen,JiashuCheng,YunlinShao,ChenglinZhang,JieZhang,LinlinFan,HaoChang,RuiGuo,XuelinWang,NanLi,LiangHu,*YenWei,*andJingLiu*

Title:ALiquidGripperBasedonPhaseTransitionalMetallicFerrofluid

Publishedin:AdvancedFunctionalMaterials,doi:10./adfm.20274

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