鐵磁流體——從太空科技到醫學藝術

原載於:《文匯報》【科學講堂】專欄

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所有東西在太空都會失重漂浮。圖為美國太空人在太空站進行液體實驗。網上圖片

 

在太空無重狀況下,所有的東西均會漂浮,包括液體。同樣道理,推動太空船或火箭前進的燃料亦會漂浮於油箱(Propellant tank)內,那麼工程師是如何讓燃料導向引擎呢?

 

什麼是鐵磁流體?

1960年,科學家想出了以「鐵磁流體」(ferrofluid)來解決這個問題。

日常生活中,磁鐵是固體,可是超出了攝氏300度,它就會失去磁力。因為高溫會令磁鐵內的粒子快速震動,而失去方向性(即磁力)。磁鐵的熔點(從固體變成液體的溫度)為攝氏1,400度,在到達磁鐵的熔點前,它就已經失去磁力,所以鐵磁流體並非把磁石加熱熔解而成的。

因為高溫會令磁鐵失去磁性,科學家以化學方式把磁鐵變至納米大小,使之能受磁場影響,再把它們懸浮在水溶性或油溶性的液體中,這就是鐵磁流體了。這些細小的磁鐵粒子不會因為地心吸力而往下沉,就如脂肪在牛奶中不會沉澱一樣。

 

鐵磁流體的用途

鐵磁流體的應用甚廣,除了航天科技,還包括醫學、藝術、擴音器、電腦磁碟機等,以下為鐵磁流體於醫學及藝術方面的應用。

 

醫 學:

一、把藥物運輸到目標位置

試想像,如果一名肝臟或腎臟有問題的病人,服食的藥物未送到目標位置前已經在腸胃發揮作用,或被其他身體部分吸收,引致藥性下降,那麼他服用的藥物劑量必會比他真正所需要的多。

另外,癌症藥物一般對身體內的正常細胞有嚴重的副作用,故此把藥物直接傳送到腫瘤位置,使其直接用於腫瘤而減低對癌症病人身體內正常細胞的影響十分重要。

因為可以受磁場導向的特質,鐵磁流體在現代醫學上扮演着重要的角色。把藥物塗在鐵磁粒子的表面,透過改變磁場的強度及位置,以鐵磁流體為運輸工具,醫生可以把適當劑量的藥物直接導至腫瘤,同時減低對正常細胞的影響。

 

二、以熱能殺死腦腫瘤

最近在德國有治療腦腫瘤的納米醫學技術,先把鐵磁流體注入目標的腫瘤內,再以取得專利的儀器,每秒振盪10萬次,快速改變附近的磁場,讓鐵磁粒子加熱至可殺死腦腫瘤的溫度,又不會影響附近其他的正常細胞。

患者除了因為熱而出汗外,沒有其他副作用。這項技術利用了鐵磁流體可以把磁場的能量轉變成熱能的特點,大幅延長病患者壽命。有腦腫瘤患者更完全康復,在兩年內沒有任何復發徵兆。

 

三、製造沒有機械部分的人工心臟

科學家最近研究以鐵磁流體製作人工心臟,他們把鐵磁流體植入薄膜中,以之圍繞人工心臟,透過改變磁場,幫助擴充及收縮薄膜內的血液,當作「泵」使用,取代任何機械配件,從而減少摩擦,使得延長人工心臟的壽命。

如果研究成功,製作人工心臟的成本將會大大下降,而且因為人工心臟不用經常更換,減輕對病者的影響。

 

藝 術:

一、鐵磁流體音樂噴泉

遇到外來磁場時,鐵磁流體會因着其強度及方向變成尖刺狀。

我以手機的鋼琴app奏出音樂,以擴音器播出。擴音器內有磁鐵,改變音樂頻率,就會改變磁場,使鐵磁流體不斷改變形狀。

 

二、鐵磁流體與流行文化

最近Nike在紐約旗艦店中展示了一款模型籃球鞋,鞋內有磁鐵,讓鐵磁流體在外面流過,使球鞋看起來有尖刺。

一納米有多大?

一扇門兩米高(2m),一個足球的半徑約為十分之一米(0.1m),一條頭髮的平均粗度為一萬分之一米(0.0001m),DNA的半徑約為十億萬分之一米(0.000000001m),我們稱十億萬分之一米為一納米。如果感受不到這個數有多少,可想像足球直徑對地球直徑,這個倍數的差距,就如一納米的長度對一個足球的直徑的差距。

 

小 結

因為鐵磁流體獨特的性質,它已經從天文科技演化至我們的日常生活中,甚至你低頭對着的電腦磁碟機,又或你在聆聽的音響器材亦有鐵磁流體在內。有說如果投資在天文科技,不如把資源投放在人類生活。

其實,如果沒有發展天文科技,我們的生活亦難以從當中的科技獲得進步,除了鐵磁流體外,全球定位系統(GPS)、幫助預測天氣的人造衛星及數碼相機中的感光元件(CCD),均是從發展天文科技演化而成。

 

 

作者:吳俊熙

吳俊熙
吳俊熙博士曾於加州的州立大學及香港大學教授化學,現於洛杉磯任助理教授。為四個大型科學普及活動的計劃總監,致力於推動本地科普:曾為無線電視時事節目《新聞透視》的訪問對象,講解食物安全;亦為有線電視節目《腦作怪》的嘉賓主持,從科學角度分析人類感知。曾到訪超過三十所本地及外國中學講授科學。網站:http://www.drbennyng.net/

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文章資訊

ID: 146914
Date: 2016-11-30 17:04:23
Generated at: 2020-09-23 11:46:47
Permalink: https://www.vjmedia.com.hk/articles/2016/11/30/146914/鐵磁流體-從太空科技到醫學藝術