基于移动双环永磁体的位置放大主动磁悬浮粒子操控与定向放置

《Separations》：Position-Amplified Particle Manipulation and Targeted Placement Using Magnetic Levitation with Moving Dual-Ring Permanent Magnets

　　

能够主动调控粒子轨迹的无标记、非接触操控方法对于粒子处理、选择性分离和定向收集具有重要意义。然而，常规磁悬浮（MagLev）方法主要依赖被动平衡定位，在主动将粒子输送至指定位置方面能力有限。在此，研究人员提出了一种位置放大主动MagLev方法，利用移动磁场作为可控的非接触致动器，实现粒子的操控、分离和定向放置。研究人员建立了一个包含重力、浮力、磁力与流体动力拖曳力的磁操控模型（magneto-manipulation model），用于预测粒子轨迹和最终中心距离，从而实现参数优化。对于直径分别为3、4和5 mm的等密度粒子，预测的3 mm与4 mm粒子之间以及4 mm与5 mm粒子之间的水平中心距分别为13.16 mm和3.40 mm，与实验值12.46 mm和3.56 mm高度吻合（偏差分别为0.70 mm和0.16 mm）。这三个粒子形成了按尺寸排序的空间分布，并被成功引导至不同的收集槽中。在垂直方向上，增大磁体间距可提高垂直密度灵敏度并增大材料间距离；对于TPEE、PA66和PC/ABS，PA66与TPEE之间的垂直距离从3.99 mm增加到5.70 mm，PA66与PC/ABS之间的垂直距离从3.08 mm增加到3.99 mm，且三种材料均被引导至不同的收集槽中。这些结果表明，所提出的方法将MagLev从被动平衡定位扩展为一个主动的、模型引导的操控平台，在该平台中，粒子属性差异被转化为可预测的空间响应，并随后用于定向收集。因此，该方法在单一的磁操控过程中集成了非接触输送、位置分离、灵敏度调谐和预设粒子放置。

粒子分选和收集在分析检测、材料加工和资源回收中至关重要。然而，现有技术存在固有局限：细胞或微珠分选有样品损伤风险且要求高精度回收；固体废弃物回收需要从复杂混合物中快速识别；离心虽广泛适用，但高剪切可能损伤脆弱样品；浮选和静电方法依赖表面性质、电荷状态或预处理；微流控系统虽精确，但常受通量和器件复杂性限制。因此，迫切需要一种温和、无标记、非接触、可观察且易于与收集系统兼容的分离方法，尤其是针对密度相近、形态不规则或难以标记的粒子。磁悬浮（MagLev）利用样品与顺磁介质之间的磁化率差异，使非磁性或弱磁性粒子在非均匀磁场中受到磁阿基米德力（magneto-Archimedes force），并悬浮于与其自身密度相关的位置。传统MagLev主要提供被动平衡定位，将粒子位置作为最终密度读数，主动输送能力有限。本研究提出一种位置放大主动MagLev方法，将移动双环永磁体作为可控非接触致动器，通过编程磁体运动实现粒子的主动操控、分离和定向放置。

研究人员开展了系统研究。他们建立了包含重力、浮力、磁力和流体动力拖曳力的磁操控模型，用于预测粒子在移动磁场下的轨迹和最终空间位置，并据此预先选择操作参数。实验验证了水平方向和垂直方向两种互补的分选-定向放置路线。水平方向利用粒子在临界速度附近从中心悬浮区转移到环形悬浮区时产生的“位置放大效应”，将粒子间微小属性差异转化为毫米至十几毫米量级的水平中心距，从而实现分选和定向收集。垂直方向通过调节磁体间距来改变轴向磁场梯度和垂直密度灵敏度，增大不同密度材料间的垂直距离，为顺序收集创造空间净空。该研究将MagLev从被动位置读出方法转变为主动的、模型引导的非接触粒子操控平台，为相似属性粒子和工程塑料的选择性处理提供了新途径。

关键的技术方法可概括为：采用双环永磁体（N35 NdFeB，外径60 mm，内径30 mm，厚10 mm，N极相对同轴放置，间距可调）作为磁场源，安装在三维运动平台上，以受控速度vm平移，同时容器和溶液保持静止。建立了磁操控模型，通过环形磁体解析场叠加计算空间磁场，粒子受力包括磁阿基米德力、重力、浮力和流体动力拖曳力；拖曳系数采用Haider–Levenspiel关联式，不规则粒子用等效直径和球形度表征。通过实验标定与粒径相关的系统系数k，并用未参与校准的数据独立验证模型预测。实验在MnCl₂水溶液中进行，粒子位置由相机记录并校准。样本包括标准球形粒子（密度由供应商认证）和工程塑料TPEE、PA66、PC/ABS（密度用标准MagLev法预标定）。磁体、运动平台和玻璃容器分别由相应公司提供。

3.1 双区域磁场特性与动力学模型验证

理论计算与实验表明，双环磁体同时提供中心悬浮区和环形悬浮区，二者之间存在径向磁力反向边界。在d=27.5 mm时，不同密度粒子在中心区域按密度顺序悬浮，并观测到同密度粒子可分别稳定于中心区和环形区。当d增大至30.5 mm时，中心区域径向约束减弱，垂直密度灵敏度从约406 mm·cm³·g^?1增至约590 mm·cm³·g^?1（增幅约45.3%）。利用5 mm标准粒子（密度1.14 g/cm³）在MnCl₂溶液（1.43 mol/L）中、d=22.5 mm条件下，以vm=2.5、5、7.5、10、12.5 mm/s进行实验，其中2.5和5 mm/s数据用于标定k，其余速度数据仅用于独立验证。结果显示模型预测与验证数据吻合。研究发现存在临界操控速度：低于该速度时粒子在中心区稳定跟随磁体，水平中心距随速度连续增大；高于该速度时，粒子被流体动力拖曳推送越过径向磁力反向边界，进入环形区，水平中心距从几毫米突增至十几毫米，即“位置放大效应”。此外，增大磁体间距d会减弱中心区径向约束，降低操控稳定性，因此长距离稳定运输宜选择较小d，而增大d则可在收集阶段提高垂直分离能力。

3.2 磁操控定向放置与水平分选收集

通过编程磁体运动序列（先向左平移、再垂直调整、再向收集槽平移），单个粒子被成功非接触地送入指定收集槽。在水平分选实验中，同密度（约1.1365 g/cm³）4 mm和5 mm粒子在vm=6.8 mm/s下，4 mm粒子先跨越边界进入环形区，5 mm粒子仍留在中心区，形成约14.72 mm的水平中心距（预测14.63 mm），随后被分别引导至两个收集槽。同尺寸（5 mm）密度分别为1.140和1.150 g/cm³的粒子在vm=7.1 mm/s下形成约13.16 mm的水平中心距（预测13.94 mm），并分别进入两个收集槽。由3、4、5 mm等密度粒子组成的三粒子系统在vm=5.8 mm/s下形成按尺寸排序的分布，3 mm与4 mm粒子间距约12.46 mm（预测13.16 mm），4 mm与5 mm粒子间距约3.56 mm（预测3.40 mm），三者被依次引导至三个收集槽。上述结果表明，尺寸差异通过阻力和临界速度改变粒子响应，密度差异通过悬浮高度和局部磁场环境影响响应；在适当操控速度下，微小差异可被放大为模型可预测的水平距离，继而用于定向收集。

3.3 可调垂直分离辅助定向放置

首先使用标准粒子（密度1.130和1.150 g/cm³）验证垂直策略。在初始d=23.5 mm时，两粒子以3 mm/s同步运输至收集槽前方，垂直中心距约4.82 mm；将磁体间距增大至27 mm后，垂直中心距增至约6.47 mm。利用增大的垂直间距，以较低速度依次将1.150 g/cm³粒子引导至第一个收集槽，1.130 g/cm³粒子引导至第二个收集槽。然后将该策略应用于三种工程塑料TPEE（密度约1.108 g/cm³）、PA66（约1.133 g/cm³）和PC/ABS（约1.155 g/cm³）。在d=20.5 mm时，三种材料在磁场中已按密度形成垂直分布；磁体以2 mm/s将三者整体运输至最左侧收集槽前方。将d增大至23.5 mm后，PA66与PC/ABS之间的垂直距离从约3.08 mm增至约3.99 mm，PA66与TPEE之间从约3.99 mm增至约5.70 mm。在d=23.5 mm下依次收集PC/ABS和PA66，随后将d恢复至20.5 mm以增强中心约束