磁性液体究竟有多神奇
■姚昌松 方 鸿
磁性液体材料。供图：阳 明
如果你曾看过电影《毒液》，想必一定会对电影中充满科技感的场景印象深刻：不断流动的“毒液”，就像四处喷涌的黑色触手，向着指定的方向一直延伸，给人强烈的视觉震撼。
艺术源于生活。现如今，在现实世界中，有一种和电影中的“毒液”一样神奇的材料，正受到各国科研人员的广泛关注。它们既可以像液体一样自由流动，又能够被磁场控制进行定向移动，这就是磁性液体。
磁性液体从科幻走进现实
早在40年前，曾有军事小说家描绘过一艘人类理想中的完美潜艇，它没有螺旋桨却安装了“履带系统”，即超导磁性压水式推进器，可以让潜艇在高速行进的同时，把噪音降低到几乎无法侦测的程度，成为名副其实的“深海黑洞”。
40年后，曾经的科幻场景正在走进现实。近期，美国国防高级研究计划局宣布了一项名为海底磁流体动力泵原理的项目。其目的是生产出效率与传统叶轮泵相当、可靠性超过传统叶轮泵，且噪音极低的新型磁流体动力泵。
磁性液体也称磁流体，是一种新型的功能材料。磁性液体既具有液体的流动性，又具有固体磁性材料的磁性，就宛如流动的“磁铁”一样，是材料科学领域的新宠，具有广阔的发展前景。
制备“带有磁性的液体”这一思想，最早可以追溯到18世纪40年代，当时有科学家提出构想，试图将铁屑分散悬浮在水溶液中，尽管最终未有成效，但这一想法开辟了人类对磁性液体制备的先河。
1832年，法拉第首次提出有关磁流体力学问题，以流体力学和电动力学为基础，把流场方程和电磁场方程联立起来，探索磁流体与电磁感应之间的关系。此后，磁流体力学作为电磁学的一个分支迅速发展。
20世纪60年代初，美国航空航天局在饱受引擎燃烧稳定性这一阻碍登月的问题困扰时，机械工程师帕佩尔通过将磁铁矿放在含有油酸的有机相中进行长时间粉碎，最终成功制备出了稳定的铁磁流体，并在电磁场的帮助下泵送了火箭燃料，实现了磁液制备技术的重大突破。
此后，世界各国对磁性液体的研究相继展开。美国涌现了一批专门研究磁性液体性质及应用的企业，苏联、日本、英国、法国等对磁性液体的研究亦如火如荼。
磁性液体及其相关技术的问世，为各个行业的发展都带来了全新的可能，为多领域的技术创新提供了广阔的发展舞台。
材料领域的未来新秀
磁性液体主要由磁性颗粒、基载液和表面活性剂三部分组成，简单来说，就是由纳米磁性颗粒分散在液体介质中形成的特殊材料。磁性液体作为一种流体，其运动遵循流体动力学的规律。同时，作为一类磁性物质，其磁性能遵循电磁学规律，可通过磁场对其进行控制，因此具有许多独特的电磁学和力学特性。
磁性颗粒是组成磁流体的最基本材料。这些磁性颗粒通常由铁氧体、镍或钴等材料制成。当外加磁场时，这些颗粒会按照磁场的方向进行有序排列，使得整个液体表现出类似磁性固体的行为。
基载液是磁流体中体积比例最大的组成部分，同时，表面活性剂的一端与基载液有较高亲和性，一端可以化学吸附在磁性颗粒表面，从而可以使磁性颗粒在布朗运动作用下，借助表面活性剂的分散作用，悬浮在基载液中，再通过超声分散、机械分散等方式，形成磁性稳定的液体。这种液体对磁场有明显反应，即使在重力作用下也不会发生聚沉。
近些年，随着材料科学的突飞猛进，磁性液体相关技术也在不断发展。其中，磁性液体密封技术作为一种全新的高科技密封手段，受到了广泛关注。当磁性液体被置于一个磁场中时，磁性颗粒在磁力线的作用下会排列成链条状结构，这些链条沿着磁力线的方向排列，就形成了一个动态的密封屏障，能够吸附在磁性材料的表面上，进而创建一个灵活的“液态磁”密封层。
由于其独特的密封方式，磁性液体密封系统可以在很宽的温度范围和压力条件下工作。由于是液体的状态，它几乎不受摩擦影响，从而减少了磨损，延长了设备的使用寿命。
当前，磁性液体已应用于机械、电子、航空航天等领域，且在生物医药、化工、环保、医疗等多个领域也展现出了巨大的应用潜力——
在医疗领域，磁性液体成为治疗重症疾病的手段之一，用来向病变细胞进行靶向非侵入式的药物运输。
在环保领域，磁性液体被用来分离高纯尼龙、聚酯等密度不同的塑料，精细化处理废物垃圾。
在机械加工领域，磁流体抛光技术日益成熟，该技术通过磁场的控制，使磁流体内部的纳米颗粒与抛光面进行相互摩擦接触，实现精细加工抛光。
未来战场的赋能利器
随着磁性液体技术特别是密封技术的快速发展，其越来越被视作军事装备和武器系统中的一项关键技术。磁性液体的“神奇”功能为军事领域的材料应用提供了更为丰富的变化形式，成为未来战场上的赋能利器。
对于通信系统来说，诸如基站天线或移动通信设备这类通信设备经常置于室外，需长时间经受风吹、雨打、尘侵等自然或人为的恶劣条件。磁性液体密封技术能够保护敏感的电子组件免受这些条件的侵害，即使在极端温度变化中也能保持原有功能，确保设备稳定运行。
此外，在当前高度电子化的战场上，保护设备免受电磁干扰的影响至关重要。磁性液体密封技术能够提供电磁屏蔽的附加效益，有助于减少系统对电磁干扰的敏感性，提高通信设备的可靠性和安全性。
在卫星和空间探测器中，磁性液体常见于一些动态密封场合。由于卫星、探测器上的反应轮、陀螺仪和其他旋转接口在维持密封的同时要允许部分移动或旋转，因此对材料的要求更高。而太空环境基本为高真空状态，传统的密封液体如油和脂肪，在真空条件下会迅速蒸发或分解，从而失去密封效用。磁性液体在这种环境下能够凭借其纳米级的铁磁性颗粒悬浮于合成油或水等载体中，保持其形态和功能，不会蒸发或分解，进而保持部件的密封状态，既减少了因摩擦导致的能量损失，又减少部件的磨损，延长设备的使用寿命。
不仅如此，磁性液体密封技术也可以用于卫星的燃料供给系统，确保高能推进剂不会泄漏到太空环境中，同时也能防止内部气压在卫星发射时的剧烈运动中发生危险。
在地面装甲车辆中，磁性液体通常用于保护传动系统、液压系统和敏感的电子设备。这些应用要求装备不仅能防止液体和气体的泄露，还能抵御来自外界的污染物。特别是在战场上，当装备受到多种冲击和损伤时，由于磁性液体自修复的特性，在遭受小规模破坏时，其磁性颗粒可以在磁场的作用下重新排列，填补密封缺口。这样的自修复功能，不仅可以减少保障消耗，还有利于快速作战。
变速箱作为装甲车辆中的一个关键组件，需要精确密封来保持润滑油的纯净度和防止有害物质的侵入。磁性液体能够在变速箱的旋转轴处形成一个动态的密封屏障，该屏障能够在轴旋转时保持稳定，防止油液泄露，同时排除小颗粒或尘土的入侵。此外，装甲车辆上高精度的电子设备对环境的污染极其敏感，尤其是在电子战或信息化作战中，磁性液体密封技术能够为这些设备提供一个安全的保护壳，免受化学污染物的侵蚀，保障设备正常运转。
当前，磁性液体的全部价值还没有被完全发掘，有着巨大的应用空间和发展潜力。比如，随着物联网和智能设备的普及，磁性液体在传感器等领域也将大有可为，可以用于提高设备的灵敏度和响应速度，等等。随着研究的进一步深入和技术的逐渐成熟，磁性液体无疑会成为未来军事科技创新的重要推动力量。
