中文字幕理论片,69视频免费在线观看,亚洲成人app,国产1级毛片,刘涛最大尺度戏视频,欧美亚洲美女视频,2021韩国美女仙女屋vip视频

撰文丨Hayley Bennett

編譯丨王威（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）教授）

1963年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）劉易斯研究中心（現(xiàn)哥倫研究中心）的火箭科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可能會(huì)阻礙宇航員登月的關(guān)鍵問(wèn)題：引擎燃燒穩(wěn)定性。為此，科學(xué)家們?nèi)找岳^夜測(cè)試了幾百種不同的燃燒室設(shè)計(jì)和液態(tài)氫發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射器。在這些人中，有一位名叫Solomon Papell的機(jī)械工程師，人們叫他Steve，是一名前陸軍航空隊(duì)的領(lǐng)航員，他當(dāng)時(shí)正在研究一個(gè)液體推進(jìn)劑的問(wèn)題：在零重力下，重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，如何把液體燃料送到燃燒室？Papell的解決思路是，把磁粉混入火箭燃料中，然后用強(qiáng)磁場(chǎng)把燃料吸到燃燒室中。

NASA工程師Steve Papell丨圖源：NASA

這個(gè)方法很有效，但遺憾并沒(méi)有被采納。德國(guó)斯圖加特大學(xué)空間系統(tǒng)研究所的研究員Manfred Ehresmann解釋說(shuō)，因?yàn)樵谌剂现屑尤肽ニ榈难趸F顆粒會(huì)影響火箭的效率，導(dǎo)致燃燒不理想，顯然不適合火箭科學(xué)家們。盡管如此，Papell還是在1965年為他開發(fā)的鐵磁流體方法獲得了專利。后來(lái)的歷史證明，鐵磁流體（ferrofluid）大有可為，而不僅僅是在零重力作用下。

當(dāng)周圍沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)，磁流體就像普通的液體一樣；但當(dāng)裝有磁流體的容器放到強(qiáng)磁場(chǎng)旁邊時(shí)，磁流體表面就會(huì)變硬，還會(huì)長(zhǎng)出許多尖刺，指向磁場(chǎng)線方向。這種現(xiàn)象被稱為羅森威格失穩(wěn)（Rosensweig instability），得名于已退休的美國(guó)化學(xué)家Ronald Rosensweig，他對(duì)磁流體研究做出了許多貢獻(xiàn)。另一種有趣的現(xiàn)象是，如果把磁流體倒在懸浮在超導(dǎo)體的磁體上，磁流體還可以懸浮在半空中。盡管磁流體沒(méi)能用作燃料，但以上這些奇特的性質(zhì)卻很適合用作酷炫的科普展示。

磁流體在磁場(chǎng)中的尖刺丨圖源：參考資料[2]

懸浮磁流體丨視頻來(lái)源：Tech Planet

說(shuō)了這么多，什么是磁流體？它的科學(xué)本質(zhì)，是大量磁性微納米顆粒懸浮在水或者油中所形成的具有磁性的膠體懸濁液。這些磁性顆?？梢酝ㄟ^(guò)在表面活性劑中研磨氧化鐵粉體獲得，也可以直接化學(xué)合成，所以也叫鐵磁流體（ferrofluid原意即為含鐵的流體；磁性流體magnetic fluid概念更廣，本文的磁流體均指鐵磁流體）。

因?yàn)檫@些顆粒尺寸很小，只有3~15納米大，所以在沒(méi)有外加磁場(chǎng)的時(shí)候會(huì)呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的布朗運(yùn)動(dòng)，因此能夠保持懸浮而不聚沉；但在強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)，磁流體中的磁納米顆粒會(huì)拖拽周圍的液體，從而使磁流體像液體一樣流動(dòng)，這也正是Papell所提出的方案的精髓。這其中關(guān)鍵的一點(diǎn)，是需要確保納米顆粒是順磁的，這意味著它們只會(huì)在有外加磁場(chǎng)的時(shí)候產(chǎn)生磁性，而并不會(huì)永久磁化。所以，當(dāng)撤去磁場(chǎng)時(shí)，磁流體中的顆粒就會(huì)失去磁性，恢復(fù)原先的布朗運(yùn)動(dòng)，從而讓磁流體能夠恢復(fù)流動(dòng)。

與順磁體不同，我們?nèi)粘Ｉ钪械拇盆F一般是用所謂“鐵磁材料”制成的。它們生產(chǎn)出來(lái)以后會(huì)經(jīng)過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)磁化，即便磁場(chǎng)撤去也會(huì)一直保持固定磁化方向和大小。硬盤中的磁性材料也是鐵磁體，被磁化后能夠儲(chǔ)存信息而不消失，只有被新的磁場(chǎng)重新磁化后，信息才會(huì)被抹除。

當(dāng)然，如今磁流體的應(yīng)用幾乎都和燃燒無(wú)關(guān)。例如，過(guò)去40年中磁流體最廣泛的應(yīng)用是用于電腦硬盤等旋轉(zhuǎn)部件的液體密封——磁流體被磁場(chǎng)固定住，確保組件能夠平滑、高速旋轉(zhuǎn)，并極大地降低了噪音或震動(dòng)。正如同Ronald Rosensweig在1985年出版的Ferrohydrodynamic（《鐵磁流體力學(xué)》）一書中所提到的，“沒(méi)有這重要的一滴磁流體，整個(gè)裝置都會(huì)無(wú)法運(yùn)作?！?/span>

過(guò)去十年間，人們又重拾了對(duì)磁流體的興趣，在生物醫(yī)藥、液態(tài)機(jī)器人、塑料回收以及環(huán)境污染治理等方面，為它找到了層出不窮的新興應(yīng)用。

基于能被磁場(chǎng)遠(yuǎn)程操控的特點(diǎn)，研究人員開發(fā)出了磁性納米顆粒新的應(yīng)用場(chǎng)景，尤其是對(duì)生物醫(yī)藥發(fā)展很有用。Neil Telling教授是英國(guó)基爾大學(xué)（Keele University）的一名納米物理專家，他在研究一種叫作磁納米顆粒熱療（Magnetic nanoparticle hyperthermia）的技術(shù)：向磁納米顆粒提供能量，它無(wú)法儲(chǔ)存的那部分能量就以熱的形式散發(fā)出去，以此可以加熱附近的細(xì)胞。研究表明，癌細(xì)胞比正常細(xì)胞更不耐熱，只需要利用這種技術(shù)把細(xì)胞加熱到40℃~42℃即可殺死癌細(xì)胞。通過(guò)遠(yuǎn)程加熱磁納米顆粒，有望將深藏于體內(nèi)的腫瘤消滅，因此這項(xiàng)技術(shù)受到廣泛關(guān)注。

位于柏林的MagForce公司開發(fā)了一款用于治療腦瘤的磁流體產(chǎn)品Nanotherm，于2011年在歐盟獲批使用，但目前還只有5家診所采用。在治療過(guò)程中，患者躺在一臺(tái)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的機(jī)器中，這臺(tái)機(jī)器能夠發(fā)射聚焦磁場(chǎng)，作用于注射了磁流體的腫瘤部位從而加熱細(xì)胞。目前，他們?cè)诿绹?guó)開展了用于前列腺癌治療的臨床試驗(yàn)，并于今年2月宣布已經(jīng)在10位患者身上看到了療效。這種磁流體加熱技術(shù)并不只局限于癌癥治療，Telling教授的團(tuán)隊(duì)2019年首次利用這種技術(shù)殺死了導(dǎo)致熱帶疾病利什曼病的寄生蟲。此外，俄亥俄州肯特州立大學(xué)的研究人員還在近期利用這種技術(shù)清除了人腦細(xì)胞中與阿爾茨海默病有關(guān)的淀粉樣斑塊。

MagForce公司正在開發(fā)利用磁流體治療癌癥的技術(shù)丨圖源：MagForce

不過(guò)，讓這些磁性納米顆粒在實(shí)驗(yàn)室中加熱細(xì)胞，和加熱真正的人體組織，仍然是兩回事。Telling教授向我們解釋，因?yàn)槟[瘤周圍的生物環(huán)境和實(shí)驗(yàn)室有很大差別，因此在腫瘤中加熱這些磁納米顆粒的時(shí)候，它的熱響應(yīng)也和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完全不一樣。其中部分原因，是針對(duì)某一個(gè)診療的應(yīng)用通常要定制特殊的磁納米顆粒；而目前常見的磁納米顆粒大多是被批準(zhǔn)用于核磁共振的，并不特別適合用于加熱療法。

除了可以遠(yuǎn)程被磁場(chǎng)加熱，磁流體能夠像液體一樣流動(dòng)的特性也被應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域，它們可以在狹窄的生物組織中穿梭，因此給體內(nèi)遞藥提供了新方案。2020年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的謝輝團(tuán)隊(duì)首次開發(fā)了一種利用磁流體制備的微型液滴機(jī)器人。這種液滴機(jī)器人就是一滴包裹著磁納米顆粒的油，在人體內(nèi)運(yùn)行時(shí)，液滴和水不會(huì)發(fā)生混合，還可以在磁場(chǎng)下變形。

謝暉團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用小型電磁鐵陣列，或者移動(dòng)一個(gè)永磁體，可以讓磁流體微機(jī)器人發(fā)生分裂、合并、變形；甚至可以形成一道圍欄，把水凝膠微球圈起來(lái)?；谶@些功能，研究人員可以讓微機(jī)器人搬運(yùn)液體的貨物來(lái)輸送藥物，或者讓機(jī)器人通過(guò)只有4毫米寬的管道，從而模仿在膽管或者導(dǎo)管里的運(yùn)動(dòng)。這種磁流體液態(tài)機(jī)器人的一個(gè)主要的優(yōu)勢(shì)，是可以通過(guò)變形進(jìn)入到其他軟體機(jī)器人難以進(jìn)入的狹窄空間，而幾乎不損傷周圍的環(huán)境。不過(guò)，該研究的一項(xiàng)缺憾是，他們也使用了一種特制（而不是市面上可以買到）的磁流體。另外，這項(xiàng)工作需要把微機(jī)器人和電磁鐵陣列之間靠得很近（大約1厘米），才能讓微機(jī)器人感受到足夠大的磁場(chǎng)而工作；如果間隔更遠(yuǎn)，就需要更強(qiáng)的磁鐵。這可能會(huì)使設(shè)計(jì)更復(fù)雜、成本更高昂，高強(qiáng)度的磁場(chǎng)也帶來(lái)了一定的安全隱患。

謝暉團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)工作也獲得了捷克布拉格化學(xué)與技術(shù)大學(xué)Jitka Cejkova教授的肯定。Cejkova教授是研究化學(xué)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的專家，雖然她的研究領(lǐng)域是非磁性的液滴，但是和謝暉團(tuán)隊(duì)一樣，她也從細(xì)胞中汲取靈感。她表示，利用液滴制作機(jī)器人的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，就是可以在不同的環(huán)境中變成不同的形狀。不過(guò)，因?yàn)榇帕黧w的行為在體內(nèi)和實(shí)驗(yàn)室中有很大差別，所以Cejkova教授對(duì)在人體組織內(nèi)使用磁流體并不十分看好。

Cejkova教授轉(zhuǎn)而考慮把液滴的形變能力應(yīng)用于環(huán)境治理領(lǐng)域。她說(shuō)：“細(xì)胞可以發(fā)生形變，或者伸長(zhǎng)觸手，從而可以同時(shí)觸碰幾個(gè)位置，或者到達(dá)難以到達(dá)的區(qū)域。這種自然界的現(xiàn)象對(duì)我的研究來(lái)說(shuō)非常有啟發(fā)。我們可以設(shè)計(jì)一種能夠響應(yīng)周圍環(huán)境的液態(tài)機(jī)器人，從環(huán)境中更高效地去除有害物質(zhì)?！彼谏暾?qǐng)一項(xiàng)這樣的課題。

生物醫(yī)藥領(lǐng)域所用的磁流體是否有效，或許很大程度上取決于對(duì)納米顆粒表面進(jìn)行的修飾和改性，利用的是納米顆粒自身的特性，而不是作為磁流體整體的性質(zhì)。荷蘭的一家公司找到了磁流體在環(huán)境領(lǐng)域的商業(yè)應(yīng)用，充分利用了磁流體的整體性質(zhì)。Plastic Recycling Amsterdam公司采用了一種叫作“磁密度分離”（magnetic density separation）的方法來(lái)一步分離、回收塑料垃圾。烏特列支大學(xué)的Ben Erné教授解釋了這種方法的基本原理：在一個(gè)電磁鐵上放置著磁流體，開啟磁鐵后，流體會(huì)出現(xiàn)密度梯度；當(dāng)片狀的塑料流經(jīng)磁流體時(shí)，因?yàn)樗鼈兪欠谴判缘?，所以不?huì)受到磁場(chǎng)影響，即把塑料與其他垃圾分開。此外，由于不同位置的液體密度不同，不同密度的塑料并不是簡(jiǎn)單的要么漂浮要么沉底，而是會(huì)懸浮在不同的高度。因此，最后塑料廢棄物排出機(jī)器時(shí)，我們能看到高純尼龍、聚酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）等密度不同的塑料組分已被分開了。

然而，要進(jìn)行大規(guī)模的分離應(yīng)用，使塑料非常穩(wěn)定地懸浮于磁流體中，實(shí)現(xiàn)以上的操作流程需要一個(gè)非常強(qiáng)的磁場(chǎng)和特制的磁性納米顆粒，這樣它們才不會(huì)快速涌向磁鐵并沉降出來(lái)。Erné教授2020年的研究表明，如果樣品比較小，只需要10T的磁場(chǎng)就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。但是10T已經(jīng)比目前絕大多數(shù)的研究級(jí)核磁共振設(shè)備都要大不少（常見的醫(yī)用核磁共振儀為1.5T和3T）。此外，該研究使用了特制的用檸檬酸鹽穩(wěn)定的三氧化二鐵納米顆粒。而Erné教授也指出，需要把材料做得更便宜，才有實(shí)際應(yīng)用的潛力。

阿姆斯特丹的Umincorp公司已經(jīng)可以處理100萬(wàn)居民當(dāng)量的塑料垃圾。該公司聲稱，所處理的產(chǎn)物是99%純塑料，可以直接用于新生產(chǎn)。這家公司的目標(biāo)是創(chuàng)造“循環(huán)塑料”。但想要大規(guī)模應(yīng)用這種磁密度分離方法還有一個(gè)問(wèn)題：目前商業(yè)化生產(chǎn)的磁流體供不應(yīng)求。Erné教授指出：“現(xiàn)在全球只有一家公司可以生產(chǎn)立方米級(jí)的磁流體。如果你開一家磁密度分離的公司，你就要依賴于他們的供貨時(shí)間、價(jià)格、品控等等。所以許多公司都想要自己來(lái)生產(chǎn)磁流體”。

繼續(xù)向北走，到了荷蘭城市格羅寧根，格羅寧根大學(xué)的化學(xué)系學(xué)生Fionn Ferreira正在開發(fā)一種利用磁流體從廢水中清除微塑料的方法，該想法使他獲得了2019年谷歌科學(xué)獎(jiǎng)。這種方法用磁鐵來(lái)攪拌磁流體和廢水，由于油和塑料之間存在非極性相互作用，微塑料會(huì)溶解在磁流體中的油滴中，隨后可以靠磁場(chǎng)把微塑料從污水中提取出來(lái)使用。在早期開發(fā)過(guò)程中，F(xiàn)erreira的實(shí)驗(yàn)都是在臥室里完成的，而且用的是微米尺寸的氧化鐵顆粒和食用油，所以這還算不是真正意義上的磁流體。回憶當(dāng)時(shí)的經(jīng)歷，F(xiàn)erreira說(shuō)：“我從網(wǎng)上買到了非常非常細(xì)的氧化鐵顆粒，然后我又連猜帶試，換了不同粘度的油，終于得到了足夠穩(wěn)定的磁流體，能夠在失效前讓我有足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)做實(shí)驗(yàn)”。

目前，F(xiàn)erreira獲得了足跡聯(lián)盟（Footprint Coalition）資助，他也在和工程公司Stress Engineering合作，計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化體系，把這項(xiàng)技術(shù)推廣到工業(yè)化，制造可以在廢水處理廠中用磁力去除微塑料的設(shè)備。不過(guò)對(duì)大規(guī)模應(yīng)用來(lái)說(shuō)，他仍然不建議使用真正的磁流體，因?yàn)槠渲泻械募{米顆?？赡軙?huì)對(duì)環(huán)境造成潛在不良影響。而較大的黑色四氧化三鐵顆粒在水中很常見，不溶于水，而且在任何情況下都可以用磁鐵洗掉，所以問(wèn)題不大。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家Arden Warner指出，用較大的氧化鐵顆粒還有一個(gè)好處，那就是它們表面積比較大，因此和微塑料顆粒結(jié)合更緊密，去除污染物的效果也會(huì)更好。

Warner正在帶領(lǐng)一組科學(xué)家開發(fā)利用磁鐵清理石油泄漏的裝置。他的方法是在泄露的油污中加入微米大小的四氧化三鐵顆粒，從而得到所謂的“磁流變流體（magnetorheological fluid’）”。這些四氧化三鐵顆粒比較大，因此無(wú)法像前面提到的磁流體中的納米顆粒那樣，通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)懸浮。但這種流體仍然可以被磁場(chǎng)引導(dǎo)，因?yàn)槲⒚姿难趸F顆粒和油滴之間存在范德瓦爾斯力，這種作用力雖然很弱，但恰好足以讓四氧化三鐵顆粒吸住油滴。此外，為了避免在水中使用合成化學(xué)品，這種“磁流變流體”中也不含表面活性劑。

清理石油泄露丨視頻來(lái)源：Natural Science

這樣的磁化流體呈現(xiàn)出驚人的特性。Warner說(shuō)：“在磁場(chǎng)下，這些磁性顆粒會(huì)沿著垂直磁場(chǎng)的方向排列。流體黏度增加了，意味著幾乎可以把這些顆粒牢牢鎖住，然后你可以輕松把它們從水表面提出來(lái)?！睖y(cè)試表明，這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)油水混合物高達(dá)97%的分離效率。系統(tǒng)用傳送帶把油從水表面帶走，實(shí)現(xiàn)油水分離，并分離出氧化鐵以循環(huán)利用。雖然納米顆粒磁鐵礦也能發(fā)揮作用，但Warner指出，大一些的氧化鐵顆粒和油滴的相互作用力較弱，反而更容易回收氧化鐵。

本文最開始Papell所提出的磁流體雖然沒(méi)有用于火箭燃料，但仍然有機(jī)會(huì)飛向太空。2018年， Ehresmann教授帶領(lǐng)了一個(gè)學(xué)生團(tuán)隊(duì)，將一個(gè)裝有磁流體的測(cè)試裝置小盒子送往了國(guó)際空間站。和Papell把磁流體混在火箭燃料中的想法不同，Ehresmann團(tuán)隊(duì)是要把磁流體應(yīng)用于非機(jī)械泵系統(tǒng)中。團(tuán)隊(duì)成員Franziska Hild解釋，在太空中機(jī)械部件越少越好，這樣就不用擔(dān)心機(jī)械損壞和修理的問(wèn)題。如果把他們?cè)O(shè)計(jì)的這種小盒子裝置連接起來(lái)，利用磁性陣列在小管道中移動(dòng)磁流體，就得到了一種非機(jī)械泵，可以用于長(zhǎng)壽命的冷卻或通風(fēng)系統(tǒng)。他們?yōu)檫@個(gè)裝置取了一個(gè)很有寓意的名字：Papell（pump application using pulsed electromagnets for liquid relocation，即基于脈沖電磁鐵的液體泵）。

Ehresmann教授目前還在開發(fā)一個(gè)基于磁流體的航天器姿態(tài)控制體系?，F(xiàn)有的系統(tǒng)是使用動(dòng)量輪的旋轉(zhuǎn)速度變化來(lái)改變航天器的軌跡。雖然這種輪子是精密加工出來(lái)的，但用幾年后還是會(huì)壞掉，所以成本很高。Ehresmann團(tuán)隊(duì)打算拋棄轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械輪，而是用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)帶動(dòng)磁流體旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)相似的操控。

看來(lái)，雖然Papell的磁流體燃料從未升空，但磁性液體仍然充滿了無(wú)窮的吸引力。

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

[2] https://zh.wikipedia.org/wiki/鐵磁流體

[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.