磁性是大自然中随处可见的物理现象。大到地球磁场，小到手机原件，可以说我们就生活在大大小小的磁场中。有些磁性物质在施加外部磁场时能够表现出磁性，一旦离开外部磁场便失去磁性，我们把这类磁体称为软磁体。与之相应的，即便移除外部磁场仍能保持磁性的物质被称为永磁体，例如小时候常玩的吸铁石。永磁体保持磁性的秘密就在于其内部的原子磁矩能够保持规则的排列，大家有力往一处使，使整块材料显现出磁性。猛烈的敲打或高温会打乱磁体内部原子的规则排列，使它失去磁性。
也正因为如此，永磁体一般都具有较为坚固的外形，毕竟液态或气态是很难保持内部原子的规则排列的。那么有没有液态的磁体呢？也有，例如把磁性纳米颗粒分散在载液中，在外部磁场的作用下，可以得到磁性液体。可惜，一旦失去外部磁场，液体中的磁性颗粒无法规则排布，磁性也随即消失。
柔软的外形和长久的磁性仿佛是天生的矛盾关系。幸运的是，近期Thomas P. Russell教授领导的来自北京化工大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室等机构的国际研究小组在Science 上报道了一种制备极为简单的可变形磁性液滴。
研究人员首先用羧基化的四氧化三铁（Fe3O4-CO2H）制备了直径22 nm的磁性纳米颗粒（MNP），并分散在水中。再将MNP浸入氨基低聚倍半硅氧烷的甲苯溶液中（POSS-NH2）。POSS-NH2是一种表面活性剂，在静电相互作用下会吸附在MNP表面，这会使MNP-POSS-NH2聚集在液体表面，而不是像之前那样分散在水中。这样一番操作可以使MNP在失去外部磁场时保持更久的磁性，也即获得铁磁性。
有表面活性剂存在下，磁性纳米颗粒从顺磁性（黑）转变为铁磁性（红）。图片来源：Science
为什么表面活性剂会有如此神奇的功效呢？简单来说，当磁性纳米颗粒自由分散在水中时，彼此间距离较大，没有外部磁场约束的情况下，很容易因为热运动而“放飞自我”，失去整体的磁性。表面活性剂使磁性纳米颗粒较为致密得排列在液体界面，彼此间距离很小（＜5 nm），挤在一起就不能乱动了。这增强了磁化的热稳定性，相当于在液滴表面形成了铁磁层，性质上接近于固态铁磁材料。从原理中我们也能发现，表面活性剂的选择非常关键。换其他的表面活性剂就很难产生铁磁性的液滴。
用羧甲基纤维素（红）或聚乙二醇（绿）修饰的磁性纳米颗粒无法形成铁磁性液滴，也就不能快速向磁极运动。图片来源：Science
研究人员通过简单的测试证明这种磁性液滴具有和固态铁磁材料一致的磁学性质。在电磁线圈中，它会被电流产生的磁场驱动；在一定方向的磁场中，磁矩方向逆着磁场方向的磁性液滴会逐渐翻转，使磁矩方向颠倒；磁性液滴具有经典的南北磁场，它们遵循磁极间的“同性相斥，异性相吸”的规则。
用磁偶极相互作用操纵磁性液滴。图片来源：Science
除此之外，这种磁性液滴还有什么好玩的地方呢？主要就在于它的可变形性。这是磁性液滴相对于固态磁性材料最大的特点和优势。一颗球形磁性液滴在磁场中旋转，研究人员用毛细管吸住液滴，再吹出来，这样原本球形的液滴会变成类似圆柱形。重获自由的圆柱形磁性液滴仍然保持着自身的磁性，继续在磁场中旋转。此外，通过体积和酸碱度的变化，人们可以调节磁性液滴的形状。
这项简洁的工作意义非凡。从理论角度，它挑战了铁磁性物质只能由硬质材料组成的物理学经验。从应用角度，它的潜在应用空间极为广阔。例如，这种易于控制并可以变形的磁性液滴可以用作药物载体，在外部磁场的控制下将药物送到指定病灶处。软体机器人的研究最近几年也非常火热，但它的动力系统仍然面对很大挑战：一个小巧的软体机器人却需要庞大的气动设备。如果将这种磁性液滴嵌入软体机器人中，使它仅需磁场便可运动，大大简化其动力系统。
Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets
Xubo Liu, Noah Kent, Alejandro Ceballos, Robert Streubel, Yufeng Jiang, Yu Chai, Paul Y. Kim, Joe Forth, Frances Hellman, Shaowei Shi, Dong Wang, Brett A. Helms, Paul D. Ashby, Peter Fischer, Thomas P. Russell
Science, 2019, 365, 264-267, DOI: 10.1126/science.aaw8719
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