基于石英玻璃微流控芯片的磁流体双折射效应研究*

2021-08-23赵鑫媛张凤萱

科技创新与应用 2021年22期

赵鑫媛，张凤萱，卢迎，苏波

（首都师范大学物理系，北京100048）

磁流体通常是由直径为纳米量级（10纳米以下）的磁性固体颗粒、载基液混合而成的一种稳定的胶状液体。磁流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，表现出磁性；若撤去外磁场，磁性液体又重新恢复杂乱无章的无序状态而消失磁性。除此之外，在外磁场的作用下，磁性液体内部的磁性颗粒会在一定程度上沿着外磁场排列，这样的排列方式将使得原来的各向同性结构变成各向异性的结构，进而使磁性液体具有类似单轴晶体的双折射效应、线性二色性、法拉第旋转和圆二色性。因此，它在实际生活中有着广泛的应用，在理论上具有很高的学术价值。用纳米金属及合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于各种苛刻条件的磁性流体密封、减震、医疗器械、声音调节、光显示、磁流体选矿等领域。而在本研究当中所采用的磁性液体是由Fe3O4纳米级颗粒以及矿物质油作为载基液混合而成。

由于薄膜状的磁流体才会产生较为明显的双折射效应，因此可以引入微流控技术进行该实验研究。微流控技术因其试剂消耗少、检测速度快、操作简便，现已被广泛应用于化学、物理、生物检测等领域。武亚雄等人[1]将太赫兹技术和微流控技术相结合，分别研究了微流控芯片上微流控沟道的尺寸，微流控芯片的材料及其制作流程，最后用去离子水对该芯片进行了初步测试，证明了该太赫兹微流控芯片的可行性。王楷宬等人[2]对微流控芯片的技术原理、结构及其在微生物检测中的应用进行了研究，为动物疫病的高通量检测打下了基础。范宁等人[3]研究设计了两种可利用透射式太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统检测的夹心式微流控芯片，通过减小THz与水的作用距离来减少水对THz的吸收。刘长春等人[4]利用聚二甲基硅氧烷（PDMS），作为微流控生物芯片的基质材料，发现它显示出了非常理想的材料特征。

荆雅洁等人[5]通过理论分析，分别从磁场大小、方向、以及温度三个因素对磁流体折射率的可调谐特性进行研究。钱萍等人[6]在理论层面解释了磁流体磁光效应的产生机理。潘学礼等人[7]研究稀磁流体的磁致双折射效应与磁液各参量及磁场的关系，并基于其磁光弛豫特性与载液粘度的关系（爱因斯坦方程），初步分析磁液光纤磁光粘度特性及其应用的可行性。潘应天等人[8]报道了磁流体磁光效应的研究动态，并进行磁流体的磁致双折射现象及其光学双稳特性的研究。实验表明磁液具有良好的红外传输特性，可用作新型红外磁光材料。方晓鹏等人[9]基于磁流体的微观聚集结构，建立了研究磁流体薄层光学性质的模型，运用蒙特卡洛方法模拟计算了磁流体薄层的光谱透射率，并分析了外加磁场对磁流体薄层透射率的影响。龚雁等人[10]研究了硅油基纳米磁流体在梯度磁场作用下，纳米磁粉会发生定向移动，可以聚集到磁场对应处，其他部位的硅油基纳米磁流体光透过率将恢复正常，接近纯硅油的可见光透过率。都有为[11]对磁性液体的磁光效应进行了深入的研究。由此可见，研究者们已经从理论上和实验上对磁流体的光学特性进行了深入的研究。

1 实验光系统及装置

1.1 实验光路图

本实验光路由一个波长为532nm的He-Ne激光器、偏振片、电磁铁系统、装有浓度为35%磁性液体的微流控芯片及光屏组成。实验光路图如图1所示。

图1 实验光路图

1.2 微流控芯片的制作

石英玻璃对激光具有较高的透过率，且不与载基液发生反应，是制备微流控芯片的理想材料。本实验采用两片尺寸为3cm×3cm×2mm的石英玻璃作为基片和盖片，然后在厚度为50μm的3M双面胶上刻出长宽分别为2cm的方形区域，再将双面胶和基片、盖片相粘合，最终制成微流控芯片，其制作过程如图2所示。

图2 微流控芯片制作示意图

1.3 电磁铁系统

磁流体的双折射效应需要在外加磁场的条件下才能表现出来，因此在本实验中，采用一种微型电磁铁来提供磁场，其通过WYJ-9B型晶体管稳压电源供电，通过调节晶体管稳压电源的输出电压（输出电压范围：1-30V）来改变电磁铁的工作电压，进而调节磁场强度的大小。将注有磁性液体的微流控芯片置于不同磁场强度的稳定外部环境中，使激光透过样品，外加磁场系统装置如图3所示。

图3 外加磁场系统装置图

2 实验

本实验光路由一个波长为532nm的激光器作为光源，其经过一个偏振片后变为线偏光。将装有磁流体的微流控芯片放置在电磁铁中间，给微流控芯片中的磁流体样品施加一垂直于线偏光透射方向的磁场，从而使磁场方向与光的传播方向垂直。通过调节晶体稳压管的输出电压，进行磁场大小的调节。最终线偏光透过装有磁流体的微流控芯片，在光屏上观察双折射现象，发现在主光斑旁出现了另一个小光斑，因此证实了磁流体在外加磁场作用下会产生双折射现象。在此之后研究不同温度对磁流体双折射效应明显程度的影响，如图4所示；第二，研究磁流体浓度对双折射效应明显程度的影响，如图5所示；第三，研究磁场强度对磁流体双折射效应明显程度的影响，如图6所示。

图4 温度对磁流体双折射效应的影响

图5 磁流体浓度对双折射效应的影响

图6 磁场强度对磁流体双折射效应的影响

3 结果与讨论

磁流体磁光效应的本质是由于磁流体在外磁场作用下产生各向异性，主要由两个因素决定：一是Fe3O4颗粒的各向异性排列，二是Fe3O4颗粒的磁矩定向。

磁性液体的磁致双折射效应是由于在外磁场中，外磁场及磁粒间磁偶相互作用使磁粒沿磁场方向旋转和排列形成有序结构，磁液成超顺磁性。由于磁粒粒径远小于光波波长，磁液为光学均匀介质，其在外磁场中的光学性质可近似为单轴晶体光学各向异性，介电张量为：

其中ε为物质常数，对于单轴晶体来说x和y方向的ε与z方向的ε0不同，i为虚部，a为常数。

在外磁场的作用下，当人射光沿垂直磁场方向入射时，入射光要分为光振动方向垂直于磁场的o光和光振动方向平行于磁场的e光，o光和e光的折射率no和ne不同，即o光和e光在磁性液体中的传播速度不同，磁性液体的双折射即Δn是入射光通过磁液引起的no与ne之差的绝对值：

其中c为光在真空中的传播速度，vo与ve分别为o光和e的传播速度。设L为磁流体样品槽的厚度，Δφ为o光和e光通过磁液时的位相差，则有，进而产生了双折射效应。

在本实验过程中，观察到了磁流体在外加磁场的作用下具有双折射效应。在此之后，研究了浓度、温度、磁场强度对磁流体双折射现象的影响情况。发现磁性液体的双折射效应与环境温度有关，其双折射效应随温度的升高而减小，当温度为20℃左右时现象最为明显；第二，磁性液体的双折射效应与磁性液体的浓度有关。在其他相同条件下，高浓度磁性液体的双折射效应现象明显，这是由于高浓度磁流体样品的磁链数量和尺寸较多，进而导致各向异性显著；第三，磁性液体的双折射效应与外加磁场大小有关，在其他相同条件下，磁场强度越大，双折射现象越明显。