这是一张发在Raddit上的动图,图中一层层黑色的油状物顺着螺丝钉向下滑动,光看图片就让人觉得很爽。这个Ferrofluid(铁磁流体)小玩具,将磁性物质所常见的固体状态,变成了可以流动的“液体”形式,打破常规,让我们看到了平日里只有在科幻片或者魔术中才能看到的景象。
铁磁流体又称磁性液体或者磁液,是一种新型的功能材料,它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性。是由直径为纳米量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒、基载液(也叫媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。这些磁性颗粒均匀分布,即使将磁流体放在强力磁铁周围,它们依然能稳定的分布,同时又让液态表现出磁性。
当磁铁靠近上图的钉子,就在钉子周围施加了磁场,于是乎,磁流体就会沿着看不见的磁感线分布开,形成尖峰的造型,颇有哥特式建筑的韵味。表铁磁微粒由表面活性剂包裹,可以防止它因分子间作用力和磁力作用而发生凝聚,同时重力拉扯着液体沿着螺丝向下滑动,最终形成了一层层的尖峰。这种形态的形成也符合能量最低原理,也就是说形成这种尖峰式的造型所需的能量是最小的。
credit:giphy当然,你也可以拿着更多的磁铁,改变外加磁场,随意给磁流体凹造型~也可以带着一块磁铁来溜溜磁流体。
credit:giphy实际应用
磁流体力学主要应用于三个方面:天体物理、受控热核反应和工业。
宇宙中恒星和星际气体都是等离子体,而且有磁场,所以磁流体力学首先在天体物理、太阳物理和地球物理中得到发展和应用。当前,关于太阳的研究课题有:太阳磁场的性质和起源,磁场对日冕、黑子、耀斑的影响。此外还有:星际空间无作用力场存在的可能性,太阳风与地球磁场相互作用产生的弓形激波,新星、超新星的爆发,地球磁场的起源,等等。
磁流体力学在受控核反应方面的应用,有可能使人类从海水中的氘(一种氢的同位素)获取巨大能源。然而,对氘、氚混合气来说,我们所需的温度达到了5000万到1亿摄氏度,还对粒子密度和约束时间有较高的要求。这时就轮到环形磁约束装置出场了,这一应用的出现使得受控热核反应的研究变得更加方便。
飞行器进入大气层时,激波、空气对飞行器的摩擦,使飞行器的表面空气受热而电离成为等离子体,因此利用磁场可以控制对飞行器的传热和阻力。只是由于这种磁场装置过重,设想尚未能实现。
此外,电磁流量计、电磁制动、电磁轴承理论、电磁激波管等也是磁流体力学在工业应用上所取得的成就。
市面上常见的铁磁流体时钟 credit:bilibili减压玩意儿
精明的商人们早已从铁磁流体上找到了吸金潜力,目前市面上已有多种以磁流体为卖点的小玩具。
credit:极客视界Thinker是玩具界的一股清流,主打“流水一样的磁铁”的广告,它的本质就是磁流体。
这款名为“Thinker”的铁磁流体模型是由密闭的外壳内加上3ml的永久磁化的铁磁流体。不过为了美观,Thinker还可以将密闭瓶内原本黑色的铁磁流体换成蓝色或者金色,“卖相”更好。
目前,这款与众不同的“玩具”Ferrofluid已经登陆众筹网站Kickstarter。该团队的初期筹款目标为7000美元,不过现阶段的筹款金额已经达到了15000美元,远远超过了预期目标。这款集高科技以及未来科幻感于一身的小玩具Thinker,一拿出来绝对能够羡煞旁人。用作魔术小道具,不管是高冷的学霸妹子还是清新的萌妹,一定都会对你刮目相看。
颜色各异的Thinker credit:极客视界铁磁流体DIY
假如你想要更高端的玩法,也完全可以在家做出自己磁流体。虽然纯正高质量的磁流体必须在实验室环境下才可以得到,昂贵的设备和材料外加专业的知识储备让人望而却步,但是,本着天下没有不能make的maker精神,我们只用知道,这不过是磁性颗粒(打印机用的碳粉)+基液(植物油)+表面活性剂(洗洁精)的组合而已!
材料:磁带或者打印机硒鼓、植物油、丙酮、桶和洗洁精
想要做磁流体,当然要先找到磁性颗粒,理论上我们应该用化学共沉淀法制备纳米四氧化三铁,当然在家里,也可以用打印机硒鼓里的碳粉代替,什么?!硒鼓都没有?老的磁带总有吧,赶紧把家里的存货拿出来,让它们重放异彩的时刻到了。
这些磁性材料黏在磁带上,所以要先把它们清理下来。你可以在五金店里买到作为涂料剂/去污剂,或者是当地药店买到作为指甲油去除剂的丙酮。虽然五金店丙酮有些贵,但是纯度往往比较高,推荐购买。
丙酮蒸汽吸入对身体有害,应尽量在室外操作。此外,如果是从五金店购买的丙酮,要注意避免皮肤直接接触,最好带上橡胶手套。
把磁带拆开,拉出胶带放进水桶里,再倒入丙酮搅拌,用保鲜膜盖住,静止一个小时,再搅拌,如此往复。完成后你会在水桶的底部发现一些黑色粉末,这些类似磁流体的氧化铁会慢慢沉积变多。
credit:elecfans把氧化铁盛放到容器里晾干。
credit:elecfans晾干后把植物油添加进来充当基液,对!就是你天天吃的大豆油、玉米油。油与粉末的比例为1:1.5。如果三氧化二铁粉末不能均匀的分布开,可以滴两滴洗洁精,有助于增加油的表面张力,与氧化物混合的更加均匀。最后拿着磁铁在瓶子的边缘晃动一下,你就能看到图片中的现象啦。至此廉价的磁流体就制作完成了,快去试试能玩出哪些炫酷的效果吧!
来源参考
https://www.livescience.com/61426-ferrofluid-gif.html
http://www.sohu.com/a/5426859_105527
http://www.elecfans.com/article/85/126/2016/20161205455271.html
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