生活中的科学（二）——超顺磁性

问题由来

火柴，生活中极其常见，为何燃烧后会出现磁性呢？（如下视频所示），本推文对该问题进行分析，描述该现象的起因（燃烧过程中染色剂Fe2O3转换为Fe3O4）；与此同时，了解到清华大学孙洪波课题组利用Fe3O4制作了微型机器人，能够通过磁、光、热控制机器人的运动，对该工作进行了简单的介绍。http://mpvideo.qpic.cn/0bf2tmaakaaaeqaawz37qrpfbg6dawnqabia.f10002.mp4?dis_k=30fa57abd01da1b4857a6130b9fe24f6&dis_t=1642658425&vid=wxv_1271593531303411714&format_id=10002&support_redirect=0&mmversion=false

No.1

背后的原因

调研可知，火柴主要的成分为：火柴头由氧化剂（KClO3）、易燃物（硫等）和粘合剂等组成。火柴盒侧面主要由红磷、三硫化二锑、粘合剂组成。火柴过程中，火柴头和火柴盒侧面火柴摩擦发热，放出的热量使KClO3分解，产生少量氧气，使红磷发火，从而引起火柴头上易燃物（如硫）燃烧。

与此同时，火柴中添加有多种添加剂，其各成分具有的功能为：

石英粉：控制燃烧速度，提高安全系数；

重铬酸钾：防潮；

Fe2O3：着色（红色），该物质燃烧后转换为Fe3O4（具有超顺磁性），也是因为该物质，使得或火柴燃烧后具有磁性。

附录一：超顺磁性相关思考

1、Fe3O4与Fe2O3有什么区别（微观上），其相变的条件是什么，该原理能否用在软体机器人驱动上？

孙洪波课题组利用Fe3O4与石墨烯氧化物制备了微型机器人，能够通过磁、光、热等外界条件控制其运动模式。

微型机器人利用液体表面张力实现漂浮、行走等

磁场可以操控在封闭空间或人体内部机器人的运动，为机器人在生物医学应用提供了一种安全有效的非接触式操作方法。磁性材料可以分为铁磁粒子，顺磁粒子以及铁氧体材料。随着磁场控制的发展，具有磁响应功能的材料从嵌入离散的磁块或形成磁性纳米粒子复合材料，发展到在体材料中对磁性材料非均匀分布进行设计。磁性纳米粒子的直径小于 20 nm 时，在室温下常常处于超顺磁态，即它们的磁化率可以在外加磁场下饱和，但在没有磁场的情况下，它们的净磁矩往往通过热搅动被随机化为零。这种独特的性质，让磁性纳米粒子在磁控机器人中得到很高的重视。

2、 四氧化三铁如何制备？

答：化学共沉淀法制备 Fe3O4纳米粒子：1、在装有 200mL 去离子水的三个瓶口的烧瓶中加入8.07g六水合氯化铁，通入氮气搅拌，直至试剂全部溶解。2、向烧瓶中加入 2.97g 四水合氯化亚铁。3、向烧瓶中注入 10.5mL 氨水，溶液的颜色由橙色变为黑色，持续搅拌三小时。4、将磁铁放在烧瓶底部，吸附合成好的纳米粒子。将上层清澈的溶液倒出，底部留下氧化铁纳米颗粒的沉淀。5、然后加入去离子水，重复步骤4，对样品进行洗涤三次，去除未反应的溶液。6、最后，将得到的四氧化三铁纳米粒子浸没在 200mL 去离子水中，冲入一定量的氮气，封存待用。

四氧化三铁纳米粒子的磁性，无剩磁和矫顽力（超顺磁性特征）