強磁場下材料理化性質的改變

楊揮師

摘 要：材料科學在制造業中占領著很高的比重，因而一直是工科領域中的關鍵科學。隨著科學技術的不斷發展，強磁場對于材料科學的應用成為當今國際上研究的熱點。本文通過分析強磁場技術，研究材料理化性質在強磁場下的改變，以及可以應用的領域與方向。

關鍵詞：脈沖強磁場；穩態強磁場；材料性質

中圖分類號：TD97 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0235-02

隨著國家經濟的發展，鋼鐵、輕工、制造業等領域都離不開材料科學的支持，材料科學的發展對于推動科技的發展和國民經濟的進步有著很大的作用。而且，材料學作為工科的關鍵學科之一，一直是高科技發展的重要理論基礎之一。隨著科學以及社會的不斷發展，科技對于材料的性能要求也越來越高，從而激發了人們在各種極端特殊的條件下，物質發生各種化學變化、物理變化的探索與研究。在物質的固有屬性的基礎上，人們進一步探索出新的規律和機制，并探究出一系列新的材料制備與改良的理論與技術。強磁場是指運用脈沖技術、超導技術產生的5T以上的磁場，并且也包括運用等離子體技術、混合磁體技術或者超大功率電磁鐵技術產生的超高磁場。在強磁場下，材料在原子尺度上有了新的變化：強磁場會重新改變原子電子的躍遷、匹配以及排布等行為，因而對材料的各項性能都會產生深遠的影響。

1 強磁場下材料性質的簡介

1.1 強磁場下材料的特點

傳統的磁性材料是指，基于半經典量子理論計算為基礎，該磁性材料含有3d或者4f電子的金屬材料。在電磁場下，磁性材料將會受到四種力：磁化力、極化力、庫侖力和洛倫茲力。強磁場的實驗過程中，我們發現了在自然界中從未發現過的特殊現象：如在金屬凝固過程中，金屬晶粒將會進行旋轉進而融合形成單晶組織；水在強磁場下會發生變形。強磁場對物質的作用可以直達原子電子尺度，因而，它在眾多領域都有廣泛的研究應用。在一些物理領域，研究過程對象離不開特殊材料，如磁性材料、導電材料、磁光材料、多功能膜、光學晶體等，而這些材料的制備過程受強磁場的控制影響是深遠的[1]。此外，強磁場對無機高分子材料、無機非金屬材料的影響研究屬于且尚未開發完全的領域，物質的磁性自古以來就引起了人類濃厚的興趣。

1.2 國內發展現狀

指南針，早在3000年之前被中國古代勞動人民運用極高的智慧發明了出來，此后，在中國科學家的一代代努力下，中國的科學家們運用努力與汗水攻克了一個又一個的難關，將我國的強磁場技術帶領至國際領先水平。華中科技大學國家脈沖強磁場中心，是我國“十一五”期間計劃建設的國家重大科技技術基礎設施，成功實現了90.6特斯拉的峰值強磁場，使得我國成為世界上繼美國、德國之后，第三個突破90特斯拉大關的國家。中國科學院國家強磁場中心的建立使得我國成為與美國、法國、荷蘭、日本并列的，世界五大穩態強磁場科學研究中心。我國在脈沖強磁場、穩態強磁場、超導磁體等方面，儼然已經走在世界前列。

1.3 國外發展現狀

在美國佛羅里達，NHMFL實驗室保持著世界穩態磁場的最強記錄。該強磁場磁體由超導磁體、水冷磁體兩部分搭建完成，并且在1993年開始策劃突破48T的穩態混合磁體的強磁場實驗中心的計劃。在日本筑波，筑波科學城中正在醞釀著40特斯拉的混合磁體計劃。在荷蘭，Nijmegen強磁場實驗室正在策劃搭建突破40特斯拉的穩態混合強磁場。國際上對于強磁場的研究，歐美等國一直走在中國的前面，因而類似于核磁共振等技術被歐美壟斷，在磁場研究方面，我國的科學家們還是任重而道遠的[2]。

2 強磁場下物質性質的改變

2.1 理化性質改變

以有機材料環氧樹脂為例，把環氧樹脂放置于0.12特斯拉磁場靜置后，我們發現固化的環氧樹脂的網絡空間固化，經過固化的分子網絡內，原子的排布更加完善。經測量，材料的電阻值有了較大的提升，此外，材料的表面張力也有一定的下降[3]。

以水為例，水經磁感應強度為0.2特斯拉的磁場磁化后，理化參數均有明顯的變化：經過強磁場處理，水的PH值、電導率、折射率、表面張力變大，同時，冰點、粘度、密度和蒸發速率變小。部分難溶性物質如碳酸鈣的溶解度在磁化水中增大。另外，磁場會抑制水垢的形成。經過研究發現，經過磁化的水，其水垢晶的排列方式發生變化，由原先緊密的長條形棒狀結構變為松散的短條形棒狀結構。由此可見，磁場的存在影響了碳酸鈣、碳酸鎂等水垢主要成分的結晶過程，對水的理化性質有較大的影響[4]。

以酒為例，將新釀制的食用酒放入磁場強度大于0.035特斯拉的磁場中靜置，磁化20天后我們發現酒的理化性質發生很大變化。磁化酒相比普通酒來說，其有機酸和有機酯的含量增加，甲醇和其他雜醇含量明顯降低，并且雜醇油的含量也有下降。此外，磁化酒電導率、含氧量上升，表面張力和年度稍有下降。在化學反應方面，磁化可以加速酒的酯化反應，減少酒的陳化時間。

2.2 生物性質的改變

磁場主要對生物體內血液中的鐵離子進行作用，而電場通過電磁波的作用，可能會引起濕疹等皮膚疾病。在強磁場中時，人體內的各種磁性物質都會受到磁場力，同時，由于磁化作用，體內的具有鐵離子血紅蛋白等物質將會被磁化，進而吸引體內別的組織，對人體造成影響。若體內存在一些磁性物質，則由于磁場的作用，這些物質也會對人體健康造成影響，例如一些重金屬在體內長期積累，加上磁場的作用，勢必對人體造成危害。但是磁場的危害還沒有嚴格的科學細致全面的探明，因為包括重金屬在內，外界的各種危害都是日積月累的作用，我們需要長期的跟蹤調查來驗證磁場及電磁波對人體的影響。

3 強磁場在科學中的應用

3.1 材料科學方面

強磁場在高分子材料、鐵磁性材料、非導磁性物質的方面，有著較為廣泛的應用。在高分子液晶材料方面，熱固性高分子液晶材料在強磁場下，晶體的取向行為、熱效應、磁響應特性、固化成型過程都有較為嶄新的特性，作為其力學性能和磁場關系的定量分析，有著較為深遠的前景。在功能高分子材料方面，國際上某些高分子材料纖維經過強磁場處理后，可達到銅導電率的1/5，是極具潛力的導電儲能材料。國際上高導電率的高分子材料以及防靜電、放電磁輻射的電磁波吸收材料已經運用于軍工領域。

在金屬材料方面，因為雜質與金屬具有不同磁化率，在金屬凝固過程中，強磁場可以用來控制金屬的對流，進而提高冶煉成品的金屬值，有效去除雜質。此外，利用金屬晶體磁化率母相和生成相的磁矩差，以及結晶體磁化率各向異性的特點，我們可以在金屬體結晶等生產過程中施加磁場的作用，可以控制和改善金屬晶體的結構，進而提高金屬材料的性能品質，也可以通過這種辦法設計出新型金屬材料[5]。

3.2 生物醫學工程方面

核磁共振的主要原理是：研究對象中的某些原子核具有凈自旋，這些自旋的原子核在均勻磁場中由無序變為有序。再加上和均勻磁場垂直的高頻磁場后，核磁矩產生拉莫進動。當疊加場頻率與核磁矩自有頻率一致時，就產生共振，核磁矩躍遷至激發態，我們利用核磁矩的密度分布來了解物質的組織結構。

核磁共振目前已經用于臨床檢測早期癌癥腫瘤、早起檢測心腦血管類疾病，其對于人類的醫學發展的貢獻是巨大的。和普通X射線的CT成像相比，核磁共振成像有著成像清晰且無輻射危害的優點，目前在醫學影像學中，有著極為廣泛的應用。

3.3 其他方面的應用

磁場的存在可以大大減小水中離子間的吸引，因而使硬水中的水垢變成松散的結晶體，延緩并減少了水垢的形成。此外，經過磁化的水，其締合水分子的含量會大大減少，單分子水的含量會顯著提升，這對提高溶質的水溶性、減少人體結石的形成、提高農業的灌溉效率都有很廣泛的應用。另外，在高鹽水區域，利用強磁場使得正負鹽離子在洛倫茲力的作用下反向各自偏移，中間的水因鹽離子減少而淡化，這項海水淡化的技術因能耗較少，可以有很廣泛的應用前景。

4 結論與展望

強磁場的發展確實為人類帶來了很多福音，從醫學中的核磁共振儀到科學界熱議的“人造太陽”磁約束核聚變——托克馬克，強磁場的發展確實一定程度上推動了科技的大幅進步。另一方面，我國在強磁場上的進步和成效有目共睹，但是，仍然與美、日、德等發達國家存在較大的差距。我們已經看到類似強磁場這種基礎研究對我國科技發展的重大作用，強磁場在包括材料科學內的研究廣度和深度仍在不斷延伸，有希望形成一系列重大的材料制備新技術和新理論，在解決好技術發展的同時，使強磁場更好的用在生產工作中，更好地服務社會。

參考文獻

[1]陳東風，曹志強，楊淼，等.強磁場在材料科學中的應用現狀及理論分析[J].鋼鐵研究，2007，35（3）：58-62.

[2]程從前，楊鵬，朱鳳，等.強磁場在材料科學中的應用[J].中國材料科技與設備，2006，（3）：6-9.

[3]蔣秉植，楊健美.磁場對某些化學反應的影響[J].化學通報，1991，（10）：11-15.

[4]林敏鶴，趙恒力，張允宏.超導強磁場的應用[J].低溫與超導，1984，（4）：64-71.

[5]胡暉，高紅.磁場對物質理化性質的影響[J].磁性材料及器件，2000，31（3）：36-41.