科学: このように 3D プリントされた液体磁石で遊ぶことはできますか?

出典: サイエンスネット

磁性材料でコンパスを作ることは、我が国の古代の4つの偉大な発明の1つです。しかし、磁鉄鉱などの自然界の磁性材料はすべて固体です。液体磁石を作る方法はあるのでしょうか？

最近、北京化工大学ソフトマター科学・工学先端イノベーションセンターの博士課程学生である劉旭波氏と、彼の指導教官であるマサチューセッツ大学アマースト校高分子科学・工学教授のトーマス・ラッセル氏、ローレンス・バークレー国立研究所研究員のピーター・フィッシャー氏は、水と油の界面で磁性ナノ粒子の自己組織化法によって調製された再構成可能な強磁性液滴を発見したという論文をサイエンス誌に発表した。この液滴は固体磁性材料の磁性と液体材料の流動性の両方を備えており、磁性材料の定義を拡大している。

ナノ粒子から液体デバイスまで

劉旭波氏は中国科学日報に対し、再構成可能な強磁性液滴、つまり流動性液体磁石の研究は3年前にまで遡ると語った。

当時、劉旭波さんは博士課程の学生としてトーマス・ラッセル教授の研究グループに参加し、「構造化液体」というテーマで研究を始め、水と油の界面におけるさまざまな種類のナノ材料の自己組織化挙動と潜在的な応用について研究しました。劉旭波氏は、先人たちが長年にわたり光応答、酸塩基応答、電気応答などのさまざまな分野で研究を行ってきたことを考慮し、磁気応答理論を拡張するために、磁気応答特性を持つ酸化鉄ナノ粒子を研究のモデル材料として選びました。

劉旭波さんは北京化工大学で大量の基礎データを蓄積した後、2017年にカリフォルニア大学バークレー校に交換留学し、そこで磁性材料を研究していたピーター・フィッシャーさんと出会った。

ピーターは、「液体だけで磁気デバイスを印刷できますか？それは非常に興味深いですね。」と尋ねました。

劉旭波氏の研究方向はピーター氏に刺激を受け、磁性ナノ粒子の界面での自己組織化というミクロな理論からマクロな全液体磁気デバイスの開発へと移り、ついに2018年3月に磁極を持つ液体デバイスの作成に成功しました。その後、一連の関連する検証と分析を行い、今年この興味深い研究結果を『サイエンス』誌に無事発表しました。

液体磁石はどのように作られるのでしょうか?

「食用油を一滴純水に入れて振って放置します。砕けた油滴が安定した後、界面張力により再び結合して集まり、円形に縮みます。洗剤を一滴水に入れると、その中に含まれる小分子界面活性剤が油滴の凝集を効果的に防ぎます。振ると、たくさんの小さな油滴に変化し、安定して存在するようになります」と劉旭波氏は説明した。

今回、劉旭波氏らは水性磁性流体材料を有機油相と混合した。負に帯電した磁性ナノ粒子（Fe3O4-COOH、直径約22ナノメートル、髪の毛の太さのわずか1万分の1）が水中に分散し、油相は界面に自由に存在する正に帯電したポリマー（POSS-NH2）を溶解し、水と油の界面で両者が引き合い、その場で磁性ナノ粒子界面活性剤を形成し、界面にしっかりと吸着して界面張力を低減した。低分子界面活性剤と比較して、数十ナノメートルのサイズのこのタイプの界面活性剤は、界面にしっかりと付着して2次元ナノ粒子層を形成します。飽和後、それらは互いに圧迫され、界面上で自由に移動し続けることができず、界面ブロッキング相変化を引き起こします。一方では界面張力を低減し、他方では任意の形状の液滴の安定した存在をサポートできます。

わずか 1 マイクロリットルの大きさのこれらの液滴には、10 億個を超える磁性ナノ粒子が詰まっています。界面でブロッキング相転移が形成されると、液滴は直接常磁性から強磁性に変化し、液体磁石になります。したがって、界面でのナノ粒子の吸着と脱着を制御することで、液滴磁極の形成と消失をうまく制御することができます。

まだ探求すべき理論はたくさんある

今回発見された新しい再構成可能な強磁性液滴は、従来の再構成可能な磁石の磁性と室温での液体材料の流動性の両方を備えています。

劉旭波氏は、従来の固体磁石と比較して、新しい液体磁石はより柔軟で変化しやすいと紹介した。水油系をベースとして、界面での磁性ナノ粒子の自己組織化を制御して飽和ナノ粒子層を形成することで、理論的には水滴（水中油）を包んで水性強磁性液滴を形成したり、油滴（油中水）を包んで油性強磁性液滴を形成したり、つまり水性または油性の液体磁石を作製することが可能です。

さらに、界面磁性ナノ粒子の自己組織化は可逆的であるため、例えば、水相の pH を調整することでナノ粒子を界面で吸着または脱着させることができ、これにより強磁性液滴の可逆的な磁化または脱磁を柔軟に実現できます。

磁性流体の磁気特性を変化させる従来の方法と比較して、新しい強磁性液滴には多くの利点もあります。

例えば、磁性流体は磁性ナノ粒子と液体の混合物です。室温ではナノ粒子がランダムに動き、数千のナノ磁極が均一に配列することが難しく、液体は常磁性になります。温度が零下200度以上に下がると、磁性ナノ粒子のランダムな動きが抑制されます。磁化後、ナノ粒子の磁極は一方向にうまく配列され、マクロ的に安定した磁極を形成し、強磁性になります。

しかし、極端な温度では実際の応用が困難であり、新しい材料は室温で変換できるため、潜在的な用途の開発にさらに役立ちます。

例えば、磁性流体の粘度を高くすると、粘度が固体のように高くなると固体磁石になりますが、これでは強磁性液滴の再構成機能が失われ、可逆的な磁化や消磁を効果的に実現できません。

この新しいタイプの材料の用途について、劉旭波氏は、全液相3Dプリントや成形などの技術を通じて、磁気制御液体ロボット、磁気制御液体マイクロリアクター、磁気制御プログラム可能液体情報ストレージデバイスなどを製造し、偏極中性子磁気イメージング、X線コヒーレント散乱顕微鏡などのハイエンド技術など、新しい磁性材料特性評価技術の開発と応用を促進することができると考えています。

しかし、劉旭波氏は中国科学日報に対し、このタイプの液体磁石には、液滴の磁場強度が弱い、磁極が偏向しやすい、界面粒子層の安定性が悪いなどの欠点もあるため、今後も研究・改善すべき理論が数多くあると語った。強磁性液滴を構成する材料については、これまでは酸化鉄（III）のみが研究されてきたが、将来的には、鉄、コバルト、ニッケルなどの異なる金属やそれらの酸化物をベースにした新しい磁性ナノ材料が研究される可能性がある。

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