磁性液体



  如果不是亲眼所见,你肯定不会相信,一滴灰色的液滴沿实验室烧杯流下来,在液滴到达烧杯底部前,一阵低沉的嗡嗡声响起——研究人员打开了一块电磁铁……此刻,这滴液滴开始发抖、变硬,与以前的样子迥然不同。在嗡嗡声消失后(关掉电磁铁),液滴又恢复了原样,好像什么事情也没发生,继续向下流。
奇怪,这滴灰色的液滴有生命吗?不是,而是它被磁化了。“我们将它称为‘磁性液体’,英文缩写是MR液体,”美国麻省理工学院化学工程系教授艾莉斯向人们解释这种令人惊异的现象,“这种液体具有我们感兴趣的特性:当它处于磁场中时,会立刻变硬或改变形状。”

非凡的“磁性液体”

  “磁性液体”并不像我们看到的那么神秘,你在家里也能“调配”出这种特别的液体:拿一些像玉米油一样的粘稠的液体,再混合进一些粉状的铁屑,就能快速制成简单的“磁性液体”。如果在它的附近放一块磁铁,铁屑便开始端对端地“排队”,变成硬硬的方格状;移走磁铁,液体会再次“放松”下来,恢复本来面目。

  “磁性液体”有一些人们想象不到的用处。如果你拥有一辆赛车或者卡迪拉克高级轿车,车的震动吸收器里就有“磁性液体”。电子设备能使“磁性液体”产生每秒数千次“僵硬”、“还原”过程,从而能有效地减轻车身震动,乘坐这种车,比乘坐其他车要平稳舒适许多。一些大型建筑也使用了“磁性液体”,如日本的国家科学博物馆,以及中国的洞庭湖桥,它们能有效地抵抗地震和强风引起的震动。

  到目前为止,减震或许是“磁性液体”技术最实际的应用,但是,科学家预言,“磁性液体”将有更广泛、更令人惊讶的用途。“‘磁性液体’具有许多潜在的应用前景,它是一种令人激动的液体,”艾莉斯教授说。例如,“磁性液体”能在仿真机器人的“血管”中流动,利用高级电子设备精确地发布脉冲命令,“磁性液体”会听从指挥,时而僵硬,时而恢复液体特性,那么,就有可能让机器人像人一样灵活地自由运用手臂和腿部。“这是个了不起的发现,”艾莉斯教授非常兴奋地解释说。另外,出版商可以使用“磁性液体”制造特殊的盲人书籍,盲人读者可以方便地“卷页阅读”;医学实验室可以用“磁性液体”做出逼真的仿人体器官,供实习外科医生们实习时使用,从而可有效地解决人体器官来源不足的苦恼。

NASA领导研究

  当然,要让“磁性液体”做如此多的事情,首先必须解决许多问题,其中最关键的是怎么控制磁场,让“磁性液体”服从指挥,去做人类需要它做的非常精密的“动作”。目前研究人员尚无法预测将怎样实现这一点,但这是一个研究方向。另外一个同等重要的问题是深入探讨“磁性液体”的内部活动方式。“我们需要了解有关‘磁性液体’的更多的基本物理特性,”美国国际航空和太空总署(NASA)格伦研究中心的杰克·雷坎先生说。

  为致力于上述问题的研究,一项实验正在环绕地球飞行的国际空间站上进行。此项实验的缩写是“INSPACE”,全称是“调查乳胶体的顺磁结构总数”,这项实验集中了格伦研究中心所有优秀的科学家和工程师,考斯特先生是实验项目最主要的研究员,杰克·雷坎先生是项目经理。

  “INSPACE”实验将探索一些奇特的现象:当一些低密度“磁性液体”被放置在同方向快速变化的磁场中时,“磁性液体”中的“粒子结构”会逐渐变化,考斯特先生拍摄下了几个时间段的粒子图像。1秒钟后,粒子形成一个“强壮”的、含纤维的网络;3分钟后,“磁性液体”内部的粒子聚集在一起,就像一条条小鱼;15分钟后,小鱼渐渐变大;1小时后,“磁性液体”内部的粒子聚集成几条大大的鱼,完全失去了“磁性液体”的结构特性。由于密度较低,这样的“磁性液体”不会变硬。

  长时间的同方向磁场作用使“磁性液体”成为鱼形,在磁场变化极快的汽车震动吸收器中这种情况不会发生,但是在某些情况下,这会带来许多麻烦。

奇迹的开始

  地球重力会严重影响“磁性液体”中粒子的排列方式,这是为什么雷坎先生和他的同事要把“磁性液体”实验送到空间站去做的原因。在那里,宇航员能根据科学家的要求,测定“磁性液体”中粒子的特性,并如实将结果拍摄下来,这种实验在地球上是根本不可能完成的。

  “宇航员的工作是这项实验的重要组成部分,”雷坎先生表示。宇航员要在太空环境中打开装有“磁性液体”的微型科学实验盒,仔细调试摄像区域仅仅0.2平方毫米的精密电子摄像机,如果液体中出现一个水泡妨碍摄像,宇航员必须小心翼翼地移开它。

  2003年4月,美国的一位科学家唐·佩蒂特尝试在国际空间站中使用微型科学实验盒对“磁性液体”进行了第一次实验,他的2小时开创性工作标志着“INSPACE”实验的开始。目前,“INSPACE”实验已经持续一个多月。

  与此同时,一些公司也加快了新的利用“磁性液体”的设备和产品的开发。例如,美国北卡罗来纳州的劳德公司正在设计一种“磁性液体”洗衣机,机器内的磁性调节器能有效减少洗衣时的噪音和振动,而且可以节省电力。同时,一些公司也在汽车上进行实验,给汽车安全带和安全气囊加入“磁性液体”,由于“磁性液体”能快速灵活地吸收巨大力量,因此,汽车制造商可以根据乘客的体形和体重用“磁性液体”准确调整安全带的拉力。  节省能源和制造静音洗衣机,对于这滴外表不起眼的灰色液体来说,这仅仅是奇迹的开始。