布朗運動使微觀分散的納米顆粒可在鐵磁流體中保持穩定，并導緻磁化弛豫和禁止永磁。有鑒于此，加州大學洛杉矶分校陳俊教授等人将粒子布朗運動與膠體穩定性解耦，以實作具有高磁化、流動性和可重構性的永久流體磁體。建立這種永久流體磁體的關鍵是使用非布朗磁性粒子在載流中自組裝三維定向和分支的磁網絡結構，以此可保持穩定的磁性膠體流體。這種結構具有高矯頑力和永磁化強度，并且具有長期磁化穩定性。基于這一材料，作者還建立了一個标度理論模型來解釋永流體磁體的形成标準，并制定了一個通用的組裝指南。此外，作者還開發了可注射和可回收的永流磁體基液态生物電子，用于高度靈敏、自供電的無線心血管監測。總體而言，該發現突出了永流磁體作為液體裝置和系統（從生物電子到機器人）的超軟材料的潛力。相關工作以“Permanent fluidic magnets for liquid bioelectronics”為題發表在Nature Materials。
【文章要點】在該研究中，為了建立永久流體磁體（PFM）并以此開發超軟保形液體生物電子學，作者通過使用非布朗磁性粒子在載流中建立三維（3D）定向和分支磁性（ORM）網絡結構來解耦粒子的布朗運動和膠體穩定性，進而設法維持穩定的磁膠體。永磁體通常通過在内部微晶結構内形成排列的疇而以固體形式存在。這種排列是通過固體鐵磁材料中原子的更高堆積密度來實作的，可交換互相作用和實作高殘餘磁化。然而，在去除外部場之後，這種微觀結構會分解并且磁性消失，這主要是因為誘導磁化弛豫的磁性納米顆粒存在着布朗運動。也就是說，布朗運動使微觀分散的納米顆粒在膠體懸浮液中穩定，阻止了鐵磁流體中的永磁。有鑒于此，作者使用非布朗磁性粒子在載流中自組裝3D ORM網絡來建立穩定的PFM。PFM由于3D ORM網絡内的定向磁矩而保持宏觀永磁，并保持其結構完整性（圖1）。從理論上講，三維ORM網絡結構從三個方面實作了PFM。首先，網絡結構内部的納米磁體可以近似為納米磁偶極子，并且它們采用從頭到尾的配置來實作平衡。在這一點上，吸引的磁偶極-偶極互相作用和空間排斥是平衡的，納米磁體的磁矩在微觀上沿着鍊方向定向，在宏觀上産生用于保持永磁的磁有序。其次，具有強矯頑力的非布朗納米磁體在納米磁體的排列和3D ORM網絡結構的形成上産生了比重力高幾個數量級的磁偶極力。這減輕了單個納米磁體的沉降效應。第三，形成的網狀結構可以傳遞應力，支撐其浮力，并克服重力，從網狀結構的孔隙彈性中獲得長期穩定性。通過這種方式，膠體穩定性和永磁之間的對抗性結合被打破，進而産生了PFM。
圖1 建立PFM是以，作者選擇低顆粒濃度（4 體積%）的钕-鐵-硼（NdFeB）納米磁體（～100 nm）形成了PFM，其表現出高矯頑力（～699.91 Oe）、剩餘磁化強度（～47.06 emu g−1）、流動性（粘度～3000 厘泊）、穩定性（空氣穩定超過三個月）和良好的可重構性。此外，作者開發了基于PFM的液體生物電子學，通過将PFM注射到心包表面，可量化心髒等内部器官的生物力學信号（圖2）。是以，研究認為，PFM的建立代表着材料科學、凝聚态實體和電子領域的一個裡程碑式的進步。
圖2 PFM液态生物電子器件來源：高分子科學前沿