UCLA陈俊教授Nat Mater：提出液态生物电子器件！

2024-05-06 13:48:47

　　米兰体育官网将粒子布朗运动与胶体稳定性解耦，以实现具有高磁化、流动性和可重构性的永久流体磁体。创建这种永久流体磁体的关键是使用非布朗磁性粒子在载流中自组装三维定向和分支的磁网络结构，以此可保持稳定的磁性胶体流体。这种结构具有高矫顽力和永磁化强度，并且具有长期磁化稳定性。基于这一材料，作者还建立了一个标度理论模型来解释永流体磁体的形成标准，并制定了一个通用的组装指南。此外，作者还开发了可注射和可回收的永流磁体基液态生物电子，用于高度灵敏、自供电的无线心血管监测。总体而言，该发现突出了永流磁体作为液体设备和系统（从生物电子到机器人）的超软材料的潜力。相关工作以“Permanent fluidic magnets for liquid bioelectronics”为题发表在

　　在该研究中，为了创建永久流体磁体（PFM）并以此开发超软保形液体生物电子学，作者通过使用非布朗磁性粒子在载流中创建三维（3D）定向和分支磁性（ORM）网络结构来解耦粒子的布朗运动和胶体稳定性，从而设法维持稳定的磁胶体。永磁体通常通过在内部微晶结构内形成排列的畴而以固体形式存在。这种排列是通过固体铁磁材料中原子的更高堆积密度来实现的，可交换相互作用和实现高残余磁化。然而，在去除外部场之后，这种微观结构会分解并且磁性消失，这主要是因为诱导磁化弛豫的磁性纳米颗粒存在着布朗运动。也就是说，布朗运动使微观分散的纳米颗粒在胶体悬浮液中稳定，阻止了铁磁流体中的永磁。有鉴于此，作者使用非布朗磁性粒子在载流中自组装3D ORM网络来创建稳定的PFM。PFM由于3D ORM网络内的定向磁矩而保持宏观永磁，并保持其结构完整性（图1）。

　　从理论上讲，三维ORM网络结构从三个方面实现了PFM。首先，网络结构内部的纳米磁体可以近似为纳米磁偶极子，并且它们采用从头到尾的配置来实现平衡。在这一点上，吸引的磁偶极-偶极相互作用和空间排斥是平衡的，纳米磁体的磁矩在微观上沿着链方向定向，在宏观上产生用于保持永磁的磁有序。其次，具有强矫顽力的非布朗纳米磁体在纳米磁体的排列和3D ORM网络结构的形成上产生了比重力高几个数量级的磁偶极力。这减轻了单个纳米磁体的沉降效应。第三，形成的网状结构可以传递应力，支撑其浮力，并克服重力，从网状结构的孔隙弹性中获得长期稳定性。通过这种方式，胶体稳定性和永磁之间的对抗性结合被打破，从而产生了PFM。

　　因此，作者选择低颗粒浓度（4 体积%）的钕-铁-硼（NdFeB）纳米磁体（～100 nm）形成了PFM，其表现出高矫顽力（～699.91 Oe）、剩余磁化强度（～47.06  emu g −1）、流动性（粘度～3000 厘泊）、稳定性（空气稳定超过三个月）和良好的可重构性。此外，作者开发了基于PFM的液体生物电子学，通过将PFM注射到心包表面，可量化心脏等内部器官的生物力学信号（图2）。因此，研究认为，PFM的创建代表着材料科学、凝聚态物理和电子领域的一个里程碑式的进步。