自然界中大多数被认为无磁性的物质都具有抗磁性，例如水、铜和蛋白质等，这些磁化率为负值的物质称为抗磁性物质。抗磁悬浮技术即利用抗磁物质的抗磁性使其能够在磁场中稳定悬浮。诺贝尔奖获得者Andre Geim在强磁场中悬浮起了抗磁性物质，如水、青蛙（飞翔的青蛙）、草莓等。近日，浙江大学机械工程学院的赵朋团队提出了一种可用于密度测量及物体操纵的新型磁悬浮方法，将抗磁性物质置于顺磁性溶液中，利用单块环形磁铁产生的磁场力，使不同抗磁性物体被测量、分离或者操纵。

图1 磁悬浮方法的建模、测量、操纵和分离

由于常见物质的弱抗磁性，产生的磁场力非常微弱，使得物体稳定悬浮的条件异常苛刻：大于10T的强大磁场与陡峭的磁场变化梯度。这使得全球范围内能实现该现象的研究机构屈指可数。磁阿基米德悬浮利用顺磁性溶液作为介质，既强化磁场力又增加额外浮力，使日常的永磁铁（<0.5T）即可悬浮抗磁性物质。研究团队根据当前针对抗磁性物质的磁悬浮装置存在的空间限制大，尺寸固定（45mm~60mm）且缺少数学模型等问题，首次提出利用单块环形磁铁来实现抗磁性物质的磁悬浮，并建立了精确可靠的数学模型来描述该新型磁悬浮装置，抗磁性物质密度测量及分辨精度可达±0.0005g/cm3。该装置较传统磁悬浮装置更加简单、开放，精度更高，将极大地拓展磁悬浮的应用范围。

图2 磁铁周围的磁场力分析以及不同密度的物体悬浮情况

图3抗磁性物质悬浮高度与其密度关系的实验验证结果

由于环形磁铁的特殊结构，研究人员可以从多角度观察悬浮物体的情况，这也给悬浮物体的操纵带来了全新视角。科研人员利用该装置，可通过移动磁铁来操纵悬浮的颗粒、粉末以及液滴，并采用操纵悬浮油滴来粘附目标颗粒的实验展示了该方法良好的观测性和操作性。相关研究工作给高精度非接触微粒/细胞操纵和分离提供了新的思路。

图4 通过移动磁铁来操纵悬浮的颗粒、粉末以及液滴

图5磁悬浮方法对液滴的操纵过程

 这一成果近期发表在Analytical Chemistry上，文章的第一作者是浙江大学博士研究生张承谦。该论文作者为：Chengqian Zhang, Peng Zhao*, Fu Gu, Jun Xie, Neng Xia, Yong He, and Jianzhong Fu，https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.8b01724，Single-ring magnetic levitation configuration for object manipulation and density-based measurement. Analytical Chemistry, 2018, 90(15): 9226-9233。

赵朋博士简介

赵朋，浙江大学机械工程学院副教授，博导。2009年于华中科技大学取得博士学位，2010年起就职于浙江大学，2013年至2015年在美国威斯康辛大学麦迪逊分校Wisconsin Institute for Discovery实验室从事访问学者研究。

作为项目负责人主持多项国家、省部级项目和企业委托横向课题，包括：国家自然科学基金4项（No.51105334 & No.51475420 & No.51635006 & No.51875519）、中央高校基本科研业务费青年专项2项（No. 2015QNA4001 & No.2017QNA4003）、浙江省自然科学基金重点项目（No. LZ18E050002）和一般项目（No. LY14E050017）、国家博士后科学基金特别资助（No. 201104674）和面上资助（No. 0100481403）等。近年来，在国内外重要期刊上发表SCI、EI学术论文50余篇（主要为第一作者或通讯作者论文）；参编外文专著《Computer Modeling for Injection Molding: Simulation, Optimization and Control》（John Wiley & Sons, Inc.出版）；申请国家发明专利38项，其中14项已授权；参与制定国家标准2项（20162647-T-604 & 20162362-T-604）。