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抗癌、递药、垃圾分类,这项来自火箭的黑科技正在展现新玩法

磁流体源于美国登月工程时期的火箭燃料设计,如今常出现在科学与艺术美妙结合的展示中,而它其实已经在机械工程、电子设备等产业界应用数十年之久。最近几年,科学家又不断找到它新的应用场景,治疗癌症、体内递药、垃圾分类、处理石油泄露……这项科技正在焕发新活力。

撰文丨Hayley Bennett

编译丨王威(哈尔滨工业大学(深圳)教授)

磁流体最近很火,但和当年发明者所想象的并不一样。

1963年,美国国家航空航天局(NASA)刘易斯研究中心(现哥伦研究中心)的火箭科学家们发现了一个可能会阻碍宇航员登月的关键问题:引擎燃烧稳定性。为此,科学家们日以继夜测试了几百种不同的燃烧室设计和液态氢发动机的喷射器。在这些人中,有一位名叫Solomon Papell的机械工程师,人们叫他Steve,是一名前陆军航空队的领航员,他当时正在研究一个液体推进剂的问题:在零重力下,重新启动发动机时,如何把液体燃料送到燃烧室?Papell的解决思路是,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

这个方法很有效,但遗憾并没有被采纳。德国斯图加特大学空间系统研究所的研究员Manfred Ehresmann解释说,因为在燃料中加入磨碎的氧化铁颗粒会影响火箭的效率,导致燃烧不理想,显然不适合火箭科学家们。尽管如此,Papell还是在1965年为他开发的铁磁流体方法获得了专利。后来的历史证明,铁磁流体(ferrofluid)大有可为,而不仅仅是在零重力作用下。

什么是磁流体?

当周围没有磁场时,磁流体就像普通的液体一样;但当装有磁流体的容器放到强磁场旁边时,磁流体表面就会变硬,还会长出许多尖刺,指向磁场线方向。这种现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许多贡献。另一种有趣的现象是,如果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。尽管磁流体没能用作燃料,但以上这些奇特的性质却很适合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源:Tech Planet【前往“返朴”观看视频】

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或者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表面活性剂中研磨氧化铁粉体获得,也可以直接化学合成,所以也叫铁磁流体(ferrofluid原意即为含铁的流体;磁性流体magnetic fluid概念更广,本文的磁流体均指铁磁流体)。

因为这些颗粒尺寸很小,只有3~15纳米大,所以在没有外加磁场的时候会呈现出强烈的布朗运动,因此能够保持悬浮而不聚沉;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流动,这也正是Papell所提出的方案的精髓。这其中关键的一点,是需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候产生磁性,而并不会永久磁化。所以,当撤去磁场时,磁流体中的颗粒就会失去磁性,恢复原先的布朗运动,从而让磁流体能够恢复流动。

与顺磁体不同,我们日常生活中的磁铁一般是用所谓“铁磁材料”制成的。它们生产出来以后会经过强磁场磁化,即便磁场撤去也会一直保持固定磁化方向和大小。硬盘中的磁性材料也是铁磁体,被磁化后能够储存信息而不消失,只有被新的磁场重新磁化后,信息才会被抹除。

当然,如今磁流体的应用几乎都和燃烧无关。例如,过去40年中磁流体最广泛的应用是用于电脑硬盘等旋转部件的液体密封――磁流体被磁场固定住,确保组件能够平滑、高速旋转,并极大地降低了噪音或震动。正如同Ronald Rosensweig在1985年出版的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,整个装置都会无法运作。”

过去十年间,人们又重拾了对磁流体的兴趣,在生物医药、液态机器人、塑料回收以及环境污染治理等方面,为它找到了层出不穷的新兴应用。

生物医用磁流体

基于能被磁场远程操控的特点,研究人员开发出了磁性纳米颗粒新的应用场景,尤其是对生物医药发展很有用。Neil Telling教授是英国基尔大学(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)的技术:向磁纳米颗粒提供能量,它无法储存的那部分能量就以热的形式散发出去,以此可以加热附近的细胞。研究表明,癌细胞比正常细胞更不耐热,只需要利用这种技术把细胞加热到40℃~42℃即可杀死癌细胞。通过远程加热磁纳米颗粒,有望将深藏于体内的肿瘤消灭,因此这项技术受到广泛关注。

位于柏林的MagForce公司开发了一款用于治疗脑瘤的磁流体产品Nanotherm,于2011年在欧盟获批使用,但目前还只有5家诊所采用。在治疗过程中,患者躺在一台产生交变磁场的机器中,这台机器能够发射聚焦磁场,作用于注射了磁流体的肿瘤部位从而加热细胞。目前,他们在美国开展了用于前列腺癌治疗的临床试验,并于今年2月宣布已经在10位患者身上看到了疗效。这种磁流体加热技术并不只局限于癌症治疗,Telling教授的团队2019年首次利用这种技术杀死了导致热带疾病利什曼病的寄生虫。此外,俄亥俄州肯特州立大学的研究人员还在近期利用这种技术清除了人脑细胞中与阿尔茨海默病有关的淀粉样斑块。

MagForce公司正在开发利用磁流体治疗癌症的技术丨图源:MagForce

不过,让这些磁性纳米颗粒在实验室中加热细胞,和加热真正的人体组织,仍然是两回事。Telling教授向我们解释,因为肿瘤周围的生物环境和实验室有很大差别,因此在肿瘤中加热这些磁纳米颗粒的时候,它的热响应也和实验室内完全不一样。其中部分原因,是针对某一个诊疗的应用通常要定制特殊的磁纳米颗粒;而目前常见的磁纳米颗粒大多是被批准用于核磁共振的,并不特别适合用于加热疗法。

磁流体变形记

除了可以远程被磁场加热,磁流体能够像液体一样流动的特性也被应用于生物医药领域,它们可以在狭窄的生物组织中穿梭,因此给体内递药提供了新方案。2020年,哈尔滨工业大学的谢辉团队首次开发了一种利用磁流体制备的微型液滴机器人。这种液滴机器人就是一滴包裹着磁纳米颗粒的油,在人体内运行时,液滴和水不会发生混合,还可以在磁场下变形。

谢晖团队开发的磁流体液滴微机器人(大约1厘米大小)。左侧三幅图展现了液滴形变和运动的能力;右侧三幅图展现了液滴搬运货物等功能。丨图源:参考资料[3]

谢晖团队通过使用小型电磁铁阵列,或者移动一个永磁体,可以让磁流体微机器人发生分裂、合并、变形;甚至可以形成一道围栏,把水凝胶微球圈起来。基于这些功能,研究人员可以让微机器人搬运液体的货物来输送药物,或者让机器人通过只有4毫米宽的管道,从而模仿在胆管或者导管里的运动。这种磁流体液态机器人的一个主要的优势,是可以通过变形进入到其他软体机器人难以进入的狭窄空间,而几乎不损伤周围的环境。不过,该研究的一项缺憾是,他们也使用了一种特制(而不是市面上可以买到)的磁流体。另外,这项工作需要把微机器人和电磁铁阵列之间靠得很近(大约1厘米),才能让微机器人感受到足够大的磁场而工作;如果间隔更远,就需要更强的磁铁。这可能会使设计更复杂、成本更高昂,高强度的磁场也带来了一定的安全隐患。

谢晖团队的这项工作也获得了捷克布拉格化学与技术大学Jitka Cejkova教授的肯定。Cejkova教授是研究化学驱动机器人的专家,虽然她的研究领域是非磁性的液滴,但是和谢晖团队一样,她也从细胞中汲取灵感。她表示,利用液滴制作机器人的一个主要优势,就是可以在不同的环境中变成不同的形状。不过,因为磁流体的行为在体内和实验室中有很大差别,所以Cejkova教授对在人体组织内使用磁流体并不十分看好。

Cejkova教授转而考虑把液滴的形变能力应用于环境治理领域。她说:“细胞可以发生形变,或者伸长触手,从而可以同时触碰几个位置,或者到达难以到达的区域。这种自然界的现象对我的研究来说非常有启发。我们可以设计一种能够响应周围环境的液态机器人,从环境中更高效地去除有害物质。”她正在申请一项这样的课题。

磁流体分选塑料垃圾

生物医药领域所用的磁流体是否有效,或许很大程度上取决于对纳米颗粒表面进行的修饰和改性,利用的是纳米颗粒自身的特性,而不是作为磁流体整体的性质。荷兰的一家公司找到了磁流体在环境领域的商业应用,充分利用了磁流体的整体性质。Plastic Recycling Amsterdam公司采用了一种叫作“磁密度分离”(magnetic density separation)的方法来一步分离、回收塑料垃圾。乌特列支大学的Ben Erné教授解释了这种方法的基本原理:在一个电磁铁上放置着磁流体,开启磁铁后,流体会出现密度梯度;当片状的塑料流经磁流体时,因为它们是非磁性的,所以不会受到磁场影响,即把塑料与其他垃圾分开。此外,由于不同位置的液体密度不同,不同密度的塑料并不是简单的要么漂浮要么沉底,而是会悬浮在不同的高度。因此,最后塑料废弃物排出机器时,我们能看到高纯尼龙、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等密度不同的塑料组分已被分开了。

图中塑料垃圾从左进入,在中部与磁流体混合。流体中存在密度梯度,从而使不同密度的垃圾悬浮于流体不同位置。最后在最右侧通过分选机,将不同密度的塑料分离。丨图片来源:参考资料[4]

然而,要进行大规模的分离应用,使塑料非常稳定地悬浮于磁流体中,实现以上的操作流程需要一个非常强的磁场和特制的磁性纳米颗粒,这样它们才不会快速涌向磁铁并沉降出来。Erné教授2020年的研究表明,如果样品比较小,只需要10T的磁场就可以实现这个目标。但是10T已经比目前绝大多数的研究级核磁共振设备都要大不少(常见的医用核磁共振仪为1.5T和3T)。此外,该研究使用了特制的用柠檬酸盐稳定的三氧化二铁纳米颗粒。而Erné教授也指出,需要把材料做得更便宜,才有实际应用的潜力。

阿姆斯特丹的Umincorp公司已经可以处理100万居民当量的塑料垃圾。该公司声称,所处理的产物是99%纯塑料,可以直接用于新生产。这家公司的目标是创造“循环塑料”。但想要大规模应用这种磁密度分离方法还有一个问题:目前商业化生产的磁流体供不应求。Erné教授指出:“现在全球只有一家公司可以生产立方米级的磁流体。如果你开一家磁密度分离的公司,你就要依赖于他们的供货时间、价格、品控等等。所以许多公司都想要自己来生产磁流体”。

继续向北走,到了荷兰城市格罗宁根,格罗宁根大学的化学系学生Fionn Ferreira正在开发一种利用磁流体从废水中清除微塑料的方法,该想法使他获得了2019年谷歌科学奖。这种方法用磁铁来搅拌磁流体和废水,由于油和塑料之间存在非极性相互作用,微塑料会溶解在磁流体中的油滴中,随后可以靠磁场把微塑料从污水中提取出来使用。在早期开发过程中,Ferreira的实验都是在卧室里完成的,而且用的是微米尺寸的氧化铁颗粒和食用油,所以这还算不是真正意义上的磁流体。回忆当时的经历,Ferreira说:“我从网上买到了非常非常细的氧化铁颗粒,然后我又连猜带试,换了不同粘度的油,终于得到了足够稳定的磁流体,能够在失效前让我有足够长的时间来做实验”。

目前,Ferreira获得了足迹联盟(Footprint Coalition)资助,他也在和工程公司Stress Engineering合作,计划进一步优化体系,把这项技术推广到工业化,制造可以在废水处理厂中用磁力去除微塑料的设备。不过对大规模应用来说,他仍然不建议使用真正的磁流体,因为其中含有的纳米颗粒可能会对环境造成潜在不良影响。而较大的黑色四氧化三铁颗粒在水中很常见,不溶于水,而且在任何情况下都可以用磁铁洗掉,所以问题不大。费米实验室物理学家Arden Warner指出,用较大的氧化铁颗粒还有一个好处,那就是它们表面积比较大,因此和微塑料颗粒结合更紧密,去除污染物的效果也会更好。

Warner正在带领一组科学家开发利用磁铁清理石油泄漏的装置。他的方法是在泄露的油污中加入微米大小的四氧化三铁颗粒,从而得到所谓的“磁流变流体(magnetorheological fluid’)”。这些四氧化三铁颗粒比较大,因此无法像前面提到的磁流体中的纳米颗粒那样,通过布朗运动实现悬浮。但这种流体仍然可以被磁场引导,因为微米四氧化三铁颗粒和油滴之间存在范德瓦尔斯力,这种作用力虽然很弱,但恰好足以让四氧化三铁颗粒吸住油滴。此外,为了避免在水中使用合成化学品,这种“磁流变流体”中也不含表面活性剂。

清理石油泄露丨视频来源:Natural Science【前往“返朴”观看视频】

这样的磁化流体呈现出惊人的特性。Warner说:“在磁场下,这些磁性颗粒会沿着垂直磁场的方向排列。流体黏度增加了,意味着几乎可以把这些颗粒牢牢锁住,然后你可以轻松把它们从水表面提出来。”测试表明,这种方法能够实现对油水混合物高达97%的分离效率。系统用传送带把油从水表面带走,实现油水分离,并分离出氧化铁以循环利用。虽然纳米颗粒磁铁矿也能发挥作用,但Warner指出,大一些的氧化铁颗粒和油滴的相互作用力较弱,反而更容易回收氧化铁。

更多的可能

本文最开始Papell所提出的磁流体虽然没有用于火箭燃料,但仍然有机会飞向太空。2018年, Ehresmann教授带领了一个学生团队,将一个装有磁流体的测试装置小盒子送往了国际空间站。和Papell把磁流体混在火箭燃料中的想法不同,Ehresmann团队是要把磁流体应用于非机械泵系统中。团队成员Franziska Hild解释,在太空中机械部件越少越好,这样就不用担心机械损坏和修理的问题。如果把他们设计的这种小盒子装置连接起来,利用磁性阵列在小管道中移动磁流体,就得到了一种非机械泵,可以用于长寿命的冷却或通风系统。他们为这个装置取了一个很有寓意的名字:Papell(pump application using pulsed electromagnets for liquid relocation,即基于脉冲电磁铁的液体泵)。Ehresmann教授目前还在开发一个基于磁流体的航天器姿态控制体系。现有的系统是使用动量轮的旋转速度变化来改变航天器的轨迹。虽然这种轮子是精密加工出来的,但用几年后还是会坏掉,所以成本很高。Ehresmann团队打算抛弃转动的机械轮,而是用一个旋转的磁场带动磁流体旋转,实现相似的操控。

看来,虽然Papell的磁流体燃料从未升空,但磁性液体仍然充满了无穷的吸引力。

参考资料

[1] 原文链接:The rise of ferrofluids. https://www.chemistryworld.com/features/the-rise-of-ferrofluids/4013756.article

[2] https://zh.wikipedia.org/wiki/铁磁流体

[3] Fan, Xinjian, et al. "Reconfigurable multifunctional ferrofluid droplet robots." Proceedings of the National Academy of Sciences 117.45 (2020): 27916-27926.

[4] Serranti, Silvia, and Giuseppe Bonifazi. "Techniques for separation of plastic wastes." Use of Recycled Plastics in Eco-efficient Concrete. Woodhead Publishing, 2019. 9-37.