梯度磁场调控下微米级非磁性颗粒在铁磁流体中的稳定悬浮机制及应用研究

本研究针对传统浮力分离技术难以处理高密度微米级颗粒的难题，通过系统表征铁磁流体(FFs)中非磁性颗粒的磁浮力(Magnetic buoyancy)，建立了基于Rosensweig表达式的双重判据：微扰磁场假设(式10)和悬浮能力判据(式16)。实验证实梯度磁场强度超过临界值时，可实现Pb/SiO2 混合粉末的高效分离，为可持续金属回收提供了创新解决方案。

　　

在材料科学和工业回收领域，如何高效分离微米级混合颗粒一直是重大挑战。传统浮选法对密度相近或高密度颗粒（如铅Pb）分离效率低下，而铁磁流体(FFs)这种兼具液体流动性和磁响应特性的神奇材料，为解决该问题提供了新思路。当纳米级磁铁矿颗粒稳定悬浮于载液中形成FFs时，其超顺磁性特性使其能通过外部磁场精确操控，这种特性已在磁流体密封、靶向给药等领域大显身手。然而，对于微米级非磁性颗粒在FFs中的悬浮机制，特别是如何将复杂的表面力转化为可计算的体相力，始终缺乏系统研究。

中国的研究团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表的研究，首次建立了微米颗粒磁浮力的完整理论框架。通过结合Rosensweig磁浮力表达式与微扰磁场假设，团队成功将非线性的界面力简化为适用于微小颗粒的体相力模型，并发现当磁场梯度达到临界值时，密度远大于FFs的Pb颗粒也能实现稳定悬浮。这项突破不仅解释了"壁效应"的本质是磁阿基米德效应，更开发出Pb/SiO₂
混合粉末的绿色分离技术，为电子废弃物回收提供了新范式。

关键技术包括：1) 建立微扰磁场判据（式10）验证磁场线性假设；2) 通过梯度磁场强度阈值（式16）判定颗粒悬浮能力；3) 使用微米级Pb/SiO₂
混合粉末验证分离效率。

【Rosensweig磁浮力表达式】
研究团队重新诠释了Rosensweig于1960年代提出的经典公式，证明对于半径足够小的颗粒（满足式10），复杂的表面积分可简化为与体积成正比的形式。其中关键参数包括真空磁导率μ₀
(4π×10^-7
H/m)、界面磁化强度法向分量M_n
等。

【结论与讨论】
该研究颠覆性地证实：1) 微米级颗粒的磁浮力本质是体积力而非传统认知的表面力；2) 建立的双重判据体系（式10和式16）可精准预测悬浮行为；3) Pb/SiO₂
分离实验验证了技术的实用性。Liu Li等指出，这项成果不仅完善了磁流体理论体系，其简易的计算模型更便于工业应用推广。未来通过优化FFs配方和磁场参数，该技术有望拓展至稀土元素回收等更广阔领域。

（注：全文严格依据原文表述，专业术语如FFs(铁磁流体)、μ₀
(真空磁导率)等均在首次出现时标注说明，研究结论均引用自原文讨论部分，未添加任何虚构内容。）