我们来发一个愿，一起来读磁流体力学专著

前言

本引言阐述了本书的主题和范围，并对内容进行了简要总结，识别了磁性材料并展示了可以观察到的各种磁效应。强调了尺寸和尺度的重要性，并指出了一些未来的挑战和前景。

本书是关于应用物理学的论文集，主题为“磁性与微流体动力学”，该领域接近但独立于三个已建立的研究领域（图1.1）：

磁流体动力学，即研究等离子体、液态金属和离子溶液等电导液体的磁性和动力学；

铁流体动力学，研究强极化磁性液体（铁磁流体）在磁场中的运动；

微流体学，研究在亚毫米尺度结构中流体流动。

随着在这一充裕的交叉领域中的研究积累，我们看到一个具备自身特点的有趣子领域逐渐成形。

本书是对该新兴子领域进行初步勾勒的首次尝试，汇集了原创研究和专题评述。全书共分12章，按主题分为四个部分，每部分三章，分别聚焦于物理、化学或应用方面的不同领域。以下我们对各章进行简要概述，强调每一部分中磁场的作用。

前三篇文章讨论了磁场和液体理论的要素，特别是涉及的磁力和能量密度。

第一篇由蒂姆·布彻撰写，题为《远距离磁作用》，探讨了洛伦兹力密度f_L = (jxB)（其中j为电流密度）和开尔文或磁场梯度力密度

(我们前面的文章中有对这些力进行澄清：当电化学遇到磁场，洛伦兹力、开尔文力、麦克斯韦应力、磁热效应需了解【慢教授和你一起读顶刊系列05】）。磁场\(B=1 T)，场梯度从 1 到 10^7 Tm^{-1}。表1.1给出了不同磁性物质的不同磁化和矫顽力。

Gerd Mutschke 描述了基于他所在研究小组在电化学系统，特别是水电解和金属沉积中的经验，磁力对弱导电液体中物质传输的控制。电解过程中在电极上形成的气泡周围的电流流动模式受到洛伦兹力的影响，从而影响氢或氧气泡的释放；氧气是一种磁化率极小的弱顺磁气体，此外还受开尔文力的作用。在金属沉积中，电极附近的局部磁涡流搅拌并稀释了溶解的阳离子层，从而增强了溶解金属离子向阴极的扩散传输，阳离子在阴极上被还原为金属。通过开尔文力，当离子的磁化率和电负性不同时，可以结构化地沉积混合金属离子中的金属。

第三篇文章由安德烈斯·切贝尔斯（Andrejs Cēbers）撰写，讨论了磁化流体的现象学模型（包括顺磁率的铁磁流体，超越了线性近似），提出了多个模型，考虑了磁场和流体介质的能量、流体介质的质量和动量的守恒定律。选择由磁场产生的电磁能量通量和应力，得出了一个包含磁弛豫的熵生产关系。与使用标准国际单位制（SI）的其他章节不同，在这一部分中，读者会遇到理论磁学中仍广泛使用的高斯厘米克秒单位（CGS），需要将 4π 和光速 c替换为自由空间的渗透率u_0 和极化率，以便在实验实践中应用。

接下来是“推动者”部分。首先是由阿文德·德夫（Arvind Dev）及其合作者撰写的章节，他们详细研究了在由永磁体产生的磁四极场稳定的铁磁流体壁中，水在移动通道中的液-液流动的尺度效应 。在“磁反管”通道中，近乎理想的塞流得以实现，并探讨了使用表面活性剂以最小化界面张力和减少通道壁处的拉普拉斯压力的效果。移动壁上的摩擦力降低了 99% 以上。在微通道中移动易碎物体的阻碍被最小化。需要利用同步辐射的X射线成像来观察位于铁磁流体壁后的液体管道。从理论上讲，这项技术可以缩小至1微米的尺度。

第一组“震动器”是由Mārtiņš Brics及其合作者研究的微米尺度赤铁矿立方体。赤铁矿是一种反铁磁材料，由于Dzyaloshinsky-Moriya相互作用，亚晶格磁矩略微倾斜，产生一个微弱的剩磁磁矩，其磁化率比铁磁性氧化物磁铁矿和γ-氧化铁低两个数量级。磁矩方向与立方体对角线成12°角，能够在磁场中对颗粒施加扭矩。在静态小磁场中，立方体在偶极-偶极相互作用下形成直链或弯链；而在旋转磁场中，立方体及链条以特定的方式旋转或滚动，包括在二维平面上的群集行为，具体取决于旋转磁场的强度和频率。

本节最后一篇文章由Mattia Ostinato等人撰写，描述了对两层负载有超顺磁氧化铁纳米粒子的聚合物微粒层在低于微粒直径两倍的玻璃片间隙中进行的模拟。在低频（1 Hz）旋转磁场中，球体形成成对的二聚体并协调旋转。当达到临界频率时，系统从协调态转变为“交换”态，二聚体开始解离并与其他颗粒重新连接。以活跃颗粒的比例作为“同步-交换”转变的序参量，这是一种特殊的非平衡相变，属于包括森林火灾和金融危机等的普适类。

第三部分讨论了磁场对水和离子溶液的影响。由Sruthy Poulose及其合作者撰写的章节综述了水的各种效应。悬滴或接触滴的形状变化较小，因为亚特斯拉级磁场对水或离子溶液的静态或动态表面张力几乎没有影响。开尔文力会改变液滴形状，使用含顺磁性离子的零磁化率溶液在抗磁性的水中可用于消除这些效应。然而，在受限空间内，水的蒸发速率在磁场作用下的显著变化（高达100%以上）无法通过任何热力学效应来解释，磁能比氢键能量低八个数量级。解释基于场引起的水分子核自旋的正交（三重态）和平行（单重态）异构体之间的转变，水分子在蒸汽相中表现得像准独立气体。

Jinu Kurian等人利用在具有垂直磁各向异性的多域薄膜Co–Pt多层阴极上产生的巨大磁场梯度，影响在阴极上的一电子电化学铁氰化物氧化还原反应。场梯度约为 (10^7 Tm^{-1}，局限在电极附近约20纳米的双电层内。该系统通过电化学阻抗谱进行研究。发现磁场梯度对双电层电容和电荷转移电阻的影响，但通常在施加磁场打开开尔文力时，影响仅为7%左右。

双电层磁场为0.2 T，平均场梯度力高达10^7N/m}^3，但不足以显著改变电极附近的扩散速度，未检测到场梯度力对反应动力学的明显影响。

Fenshe Sun及其团队描述了一种新方法，用于测量稀土溶剂萃取系统的速率常数，使用不可混溶的水-油体系在具有1毫米间隙的薄水平Hele-Shaw单元中进行，该单元在含Dy(III)的水溶液和有机油相之间形成界面。Dy在边界层的浓度通过Mach-Zehnder干涉仪进行干涉测量，并确定不同Dy(III)和油浓度下初始时间的界面质量通量。发现该系统对Dy近似为一级，对油近似为二级。此方法无需磁场，可用于范围广泛的透明液体反应，与传统搅拌法相比，仅需约1毫升液体。

最后一部分关注生物医学应用，这是在亚微米尺度上将磁性应用于生命科学的最大潜力所在。前两章探讨了生物分子的机械性能。Peter Galie关于磁弹性体和水凝胶用于力学生物学研究的章节，使用通过加入少量直径为几微米的铁碳基磁性微粒制备的磁弹性材料（PDMS或纤维聚合物水凝胶），其磁化率约为 (4 x10^{-4}，并且通过微粒间的磁偶极相互作用各向异性地增强刚度，剪切模量为 (10^2 - 10^4\) Pa，匹配软组织的细胞间基质。细胞对其生长基质非常敏感，并通过细胞内钙流响应环境刚度的变化。该研究比较了线性弹性体和非线性纤维水凝胶系统。

Rafael Tapia-Rojo介绍了一种新设计的磁镊，用于操控DNA或蛋白质等生物分子。与传统方法中利用可移动永磁体生成的可变磁场梯度拉伸微米级超顺磁聚合物微珠不同，该设计使用了旧式录音机磁头中的微型电磁铁，能够精确控制磁场梯度力的大小和频率。该方法可用于解开蛋白质并测量其在千赫兹时间尺度上的动力学。研究了两个示例：一种是蛋白质L，在毫秒时间尺度上出现短暂的熔融球状态，这是折叠态的前兆；另一种是Talin力学传感器，能对几皮牛的微小力变化高度敏感，展示了噪声存在下的随机共振现象。

本节最后一章由Thomas Gevaert及其合作者撰写，提供了关于双重用途磁性微粒的详尽综述，这些微粒可用于疾病诊断和治疗，称为“治疗诊断学”（theranostics），即将特定靶向的诊断生物标记与治疗剂结合。在这种应用中，负载有超顺磁氧化铁或钆基纳米粒子（直径10-15纳米）的聚合物微珠可作为MRI造影剂，帮助定位和识别病变组织，然后通过施加千赫兹电磁场加热局部区域进行热疗。此外，附着在微珠表面的药物还可通过加热释放，或用于检测或诊断。

尽管这些章节中磁性应用各不相同，但洛伦兹力和磁场梯度力是静态和动态环境中低磁化率系统的共同主题(最底层的科学问题)。此外，稀分散的铁磁有序夹杂物或聚合物微珠中超顺磁纳米颗粒的稀疏排列产生的偶极-偶极相互作用和扭矩也是常见的半经典效应。在磁化学中，为了考虑弱磁场对电子或核波函数对称性的影响，量子力学可能是关键。表1.1总结了各种相关磁性材料的性质，并根据其磁化率和磁性有序性进行分类。

尺寸同样重要，因为磁场和磁力的作用随物体尺寸的增加而增强。然而，缩小尺度也有优势：磁偶极场是尺度独立的，因此由永久磁铁阵列产生的场不受尺度的影响——这是磁性记录成功的关键。然而，梯度场力随着尺度减小而增强，这允许在纳米尺度上产生强力场（第9章），书中多个章节中展示了实验设计和改进的灵敏度。

我们希望这些想法能够鼓励不同科学领域的研究人员认识磁场和磁性材料的应用及潜力，并有效利用这些工具建立新的磁性科学。关键的第一步应是实验性地建立任何提出效应背后的磁性原理。

实验可以从简单开始，但磁场的矢量性质及磁性与其他力的组合会增加系统研究的解释和建模复杂性，同时带来丰富的观察现象。因此，正确识别作用力并寻求最佳实验条件以避免结果的误解非常必要。

我们认为磁性微流体动力学（MMH）未来发展的几个重要研究领域包括：

- 聚焦磁场和力对水这种生命物质组成成分的影响，这一影响常常难以捉摸。

- 在实验设计中尽量减少结果中的模糊性和“伪影”。

- 发展能揭示非线性近似之外新行为的磁性微流体动力学模型，类似于矫顽力的概念。

- 真正的跨学科方法，通过组建包含磁学理解与应用领域（如力学、材料化学或生命科学）专家的团队。

至少有一个例子强调了MMH基础研究的社会意义：几位作者提到通过磁-电化学分离稀土元素的想法，其最早可追溯到Walter和Ida Noddack在20世纪50年代的工作。展示一种可大规模实施的有效工艺仍是挑战，它将是迈向更可持续能源结构的一步，在这一结构中，稀土永磁体将在无持续能耗下满足我们对磁场的许多需求。

References
1. P.A. Davidson, An Introduction to Magnetohydrodynamics (Cambridge University Press 2010)
2. R.E. Rosensweig, Ferrohydrodynamics (Dover Publications, 2014)
3. P. Tabeling, Introduction to Microfluidics (Oxford University Press, 2010)
4. P. Dunne et al., Nature 581, 58–62 (2020)
5. W. Noddack, I. Noddack, E. Wicht, Ber. Bunsenges. Phys. Chem.Bunsenges. Phys. Chem. 62,77 (1958