淺談“磁”

錢 霞

（聊城大學物理科學與信息工程學院，山東 聊城 252059）

淺談“磁”

錢 霞

（聊城大學物理科學與信息工程學院，山東 聊城 252059）

“磁”是自然界廣泛存在的現(xiàn)象.本文闡述了“磁”的來源，分類，磁性材料在磁懸浮列車、磁存儲等方面的應用，同時也闡述了生物磁現(xiàn)象、生物磁的導航功能及在醫(yī)學等方面的應用.

磁；磁性材料；生物磁

人們對磁的認識可以追溯到遠古時代，我國古代司南的應用就是最好的例證.在西方，人們對磁的認識同樣可以追溯到遠古時代.傳說在古希臘，牧人瑪格內斯在克里特島的艾達山上，他的皮鞋底的釘子和手杖的鐵尖被大地牢固地吸引以至他很難離開.他努力探究原因，發(fā)現(xiàn)了一種奇妙的石頭，這個石頭就是現(xiàn)在所說的磁鐵礦.還有寓言講到，有一座有很大吸引力的磁山，它能夠吸出距離它相當遠的船上的釘子.在亞歷山大城亞西諾寺廟，它用磁鐵礦建成拱形屋頂，目的就是為了要把皇后的鐵鑄像懸在空中.磁鐵的英文名字magnet的來源也有著美妙的故事.據(jù)說在古代希臘，在小亞細亞靠近瑪格尼西亞（Magnesia）的地方發(fā)現(xiàn)了磁鐵礦，magnet（磁鐵）的說法就來自于Magnesia［1］.

1 磁的起源

那么是不是只有磁鐵礦才具有磁性？磁性來源于哪里呢？我們知道，構成所有物質的原子是由帶正電的原子核和核外帶負電的電子構成的，帶電粒子的運動就會產生磁矩.由于原子核的質量遠大于電子的質量，原子核的磁矩遠小于電子的磁矩，核磁性只有電子磁性的約千分之一或更低，所以通常在考慮原子磁矩時，原子核的磁性被忽略不計.只有在某些情況下，原子核磁矩必須被考慮以及應用，例如現(xiàn)在醫(yī)學上應用的核磁共振成像（也常稱磁共振CT），便是應用氫原子核的磁性.

那么電子的磁性又是怎樣的呢？從科學研究已經(jīng)知道，原子中電子的磁性有兩個來源.一是電子本身具有自旋，因而能產生自旋磁性，稱為自旋磁矩；另一個是原子中電子繞原子核作軌道運動時產生的軌道磁性，稱為軌道磁矩.電子的轉動會使電子本身具有磁性，成為一個小小的磁鐵，具有N極和S極.也就是說，電子就好像很多小小的磁鐵繞原子核在旋轉.這種情況實際上類似于電流產生磁場的情況.既然電子的轉動會使它成為小磁鐵，那么原子乃至整個物體會不會就自然而然地也成為一個磁鐵了呢？當然不是.只有少數(shù)物質如鐵、鈷、鎳等才具有比較強的磁性.我們知道，原子核外電子在軌道中的分布是有規(guī)律的.如果所有電子軌道中排滿了電子，軌道中具有向上自旋和向下自旋的電子數(shù)目一樣多，這樣它們產生的磁矩會互相抵消，整個原子以至于整個物體對外沒有磁性，整個物質會由于電子在磁場中具有電磁感應現(xiàn)象而表現(xiàn)為抗磁性.如果原子核外電子沒有排滿軌道，自旋方向不同的電子數(shù)目不同，電子磁矩不能相互抵消，導致整個原子具有一定的總磁矩.但由于熱擾動，各原子磁矩之間沒有相互作用，它們是混亂排列的，所以整個物質并不會表現(xiàn)出磁性.只有在外磁場的作用下，這些混亂排列的小磁鐵有沿著同一方向排列的趨勢，從而表現(xiàn)出較小的磁化現(xiàn)象，即表現(xiàn)出順磁性.對于少數(shù)物質，例如鐵、鈷、鎳等，它們的原子內部電子在不同自旋方向上的數(shù)量不一樣，在自旋相反的電子磁矩互相抵消以后，還剩余一部分電子的磁矩沒有被抵消，同時，由于一種被稱為“交換作用”的機理，這些原子磁矩在小的區(qū)域（磁疇）內被整齊地排列起來，整個物體也就有了強磁性.

2 磁性材料及應用

磁性材料的種類很多，用途十分廣泛.當前應用較多且有發(fā)展前景的磁性材料包括永磁功能材料（也稱硬磁材料）、軟磁功能材料、信息磁功能材料、多功能磁性材料和磁智能材料.永磁材料是發(fā)現(xiàn)和使用都最早的一類磁性材料.我國最早發(fā)明的指南器（稱為司南）便是利用天然永磁材料磁鐵礦制成的.以稀土制造的永磁材料，磁性能高出普通永磁材料4到10倍.尤其釹鐵硼（Nd－Fe－B）永磁材料是近年發(fā)展起來的第三代稀土永磁材料，具有高剩磁、高矯頑力及高磁能等優(yōu)點，是目前發(fā)現(xiàn)磁性能最高的永磁體材料，被稱為超級磁體和當代永磁之王，可適于制造超小型高性能的器件，廣泛用于電機、電聲、電動控制、磁力機械、微波通信、石油化工、計算機、醫(yī)療器械等領域.由于此類材料具有超乎尋常的功能，使電子信息設備在不斷提高技能的同時，也實現(xiàn)了輕、薄、小型化.還在核磁共振儀器、磁懸浮列車等領域有著精妙的應用，并被確定為電動汽車主發(fā)動機的首選材料.有專家預測，未來幾年內，如果稀土永磁材料得到良好的應用，僅材料產值就將要達到35億美元，其輻射產值將達到數(shù)千億美元.軟磁材料則在電機工業(yè)、通信、電子學器件等方面具有廣泛的應用.信息磁功能材料（簡稱信磁材料）在通信技術、計算機、微波通信和光通信等高新信息技術中被廣泛的需要.而當代科學的發(fā)展和高新技術的多種需要，促進了多功能磁性材料的發(fā)展.

2.1 磁懸浮列車

磁懸浮列車也稱為磁墊車，由中德兩國合作開發(fā)的世界第一條磁懸浮商運線于2002年12月31日在上海浦東全線運行.置身其中，您會親身體驗到這架“陸地客機”所帶來的奇異感受.目前，美國正在研制地下真空磁懸浮超音速列車.這種神奇的“行星列車”設計最高時速為2.25萬公里，是音速的20多倍，它橫穿美國大陸只需21分鐘，而噴氣式客機則需5小時.磁懸浮列車與當今的高速列車相比，具有許多無可比擬的優(yōu)點.

磁懸浮列車的原理并不深奧.它是運用磁鐵“同性相斥，異性相吸”的性質，使磁鐵具有抗拒地心引力的能力，即“磁性懸浮”.科學家將“磁性懸浮”這種原理運用在鐵路運輸系統(tǒng)上，使列車完全脫離軌道而懸浮行駛，成為“無輪”列車，同時利用列車上磁鐵與鐵軌兩側的相同磁極性之間的磁排斥力則使列車保持居中位置，不致左右偏移.這樣既消除了火車車輪與鐵軌之間的摩擦，極大地提高了火車的速度，又減少甚至消除了汽車燃料對環(huán)境的污染，時速可達幾百公里以上.超導材料具有零電阻、抗磁性和高靈敏度的特點.利用超導材料產生的磁力使車體浮行在軌道上，不但速度可以更快，而且由于車體上浮的緣故，使得搖晃與噪聲被減至最低，利用超導材料作車輪的磁懸浮列車，其能耗比民航客機減少一半，速度卻一樣，將成為未來的超級特快列車.

2.2 磁存儲

磁存儲技術在當今信息時代的應用越來越廣泛，利用它可對多種圖像、聲音、數(shù)碼等信息轉換、記錄、存儲和處理.我們常用的計算機硬盤、移動硬盤都應用了磁存儲技術的原理.計算機的硬盤是通過磁介質來存儲信息的，計算機硬盤所用的材料是巨磁電阻材料.一塊密封的計算機硬盤內部包含若干個磁盤片，磁盤片的每一面都被以轉軸為中心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個磁道，每個磁道又被劃分為若干個扇區(qū).磁盤片上的磁涂層是由數(shù)量眾多的、體積極為細小的磁顆粒組成，若干個磁顆粒組成一個記錄單元來記錄1比特信息，即0或1.磁盤片的每個磁盤面都相應有一個磁頭.當磁頭掃描過磁盤面的各個區(qū)域時，各個區(qū)域中記錄的不同磁信號就被轉換成電信號，電信號的變化進而被表達為0和1，它們成為所有信息的原始譯碼.

磁性存儲是最常用的海量存儲技術，其記錄密度越來越高，發(fā)展也越來越快.其中，垂直記錄模式，非晶結構合金薄膜或鐵氧體薄膜介質是實現(xiàn)超高密度記錄的方向，光輔助磁記錄是很有希望的記錄技術，量子磁盤技術是未來極高密度記錄的方向.

從1956年最早出現(xiàn)磁存儲設備到2000年，硬盤存儲能力已經(jīng)從每平方厘米5000個字節(jié)增長到每平方厘米50億個字節(jié)，到2008年硬盤已經(jīng)發(fā)展到以T為單位.未來磁存儲密度能否獲得突破性的發(fā)展，幾乎完全取決于相關領域納米材料的研究成果.美國有關實驗室公布了幾種制造鐵鉑納米棒和納米線的新方法，使用這些方法合成的新型納米粒子，能夠顯著增加未來幾代以磁技術為基礎的計算機硬盤的數(shù)據(jù)存儲空間，這些材料使制造更密集磁介質成為可能，而且，使用這些材料生產出的設備將可能不再受到常規(guī)磁存儲技術所遇到的限制.目前，納米技術在硬盤為代表的磁存儲領域早已得到應用，如IBM發(fā)明的AFC技術克服了超順磁現(xiàn)象，硬盤的存儲達到了每平方英寸100GB的級別，?？斯菊诎l(fā)展的SOMA技術則可以將硬盤的存儲密度達到50TB.中國科學院物理研究所和化學研究所在納米信息存儲材料領域也獲得突破.

3 生物體中的磁現(xiàn)象及應用

物質的磁性普遍存在、多種多樣，從微觀世界的原子、原子核和基本粒子，到宏觀世界的各種材料，都具有這樣或那樣的磁性.我們生活的地球本身就是一個大磁場，宇宙間也充滿了磁場.在這樣的生存環(huán)境下，在綿延的進化過程中，磁場的廣泛存在必然會影響各種生物包括我們人類的進化及生存.就是在這種生物與磁的相互作用、進化過程中，一種磁性物質－磁鐵礦在很多生物體內被發(fā)現(xiàn)，如在趨磁細菌、水藻、蜜蜂、海龜、家鴿、鯊魚甚至我們人類大腦中等等.正是磁性物質的出現(xiàn)使這些生物的行為受到磁場的影響.

在趨磁細菌（圖1）的身體背部沿著中心軸向線性分布著黑色的不透明物質，這些物質恰好為磁鐵礦物質，它具有與外界的磁鐵礦相同的晶體結構，被稱為磁小體（圖2）.就是這些磁鐵礦物質與外加磁場的作用導致它獨特的運動規(guī)律.

圖1 趨磁細菌，其身體中心沿軸向呈線性排列的黑色不透明物質為磁鐵礦

圖2 趨磁細菌體內的磁小體

生物體內的這些磁鐵礦與地磁場的相互作用可以產生能夠探測到的轉變，而這種轉變可以通過神經(jīng)系統(tǒng)傳遞到大腦，從而使得這些生物具有借助于地磁場信息的方向辨別能力，也就是說具有導航功能.比如鴿子，可以利用地磁場作為辨別方向的依據(jù)長途跋涉找到回家的路，所依靠的生物機制就是體內的磁鐵礦物質作為利用地磁場的“磁接受器”載體進行導航.

我們知道，納米粒子由于獨特的尺寸結構，使得納米粒子具有表面效應、量子尺寸效應、體積效應和宏觀量子隧道效應.而磁性納米粒子則是近年來發(fā)展起來的一種新型材料，不但具有普通納米粒子所具有的四大效應，還具有異常的磁學性質，如超順磁性、高矯頑力、低居里溫度與高磁化率等特性，可應用于各種生物活性物質如蛋白質、DNA等的富集和分離、藥物的磁靶向以及疾病的診斷和治療等許多領域.將其結合到生物分子（如核酸、蛋白質、肽等）表面上時，產生的生物共軛物種由于尺寸依賴性和維度與生物大分子類似，很適合作為活性磁共振成像、藥物釋放與運輸?shù)拇笱h(huán)載體和組織工程的結構框架，同時又能用在分子識別和標記，DNA傳感器和生物芯片中.目前，磁性納米粒子在核酸分析、臨床診斷、靶向藥物、細胞分離和酶的固定化等領域的應用已經(jīng)成為研究的熱點.而鐵基磁性納米粒子有著獨特的化學和物理特性，已經(jīng)成功地應用到磁控生物傳感器、DNA傳感器、蛋白質傳感器、酶傳感器以及其他類型的生物傳感器中，并顯著提高了生物傳感器檢測的靈敏度，縮短了生化反應和提高了檢測的通量，為生物傳感器領域開辟了廣闊的前景.同時，微納米磁性材料在腫瘤磁感應熱療中有廣闊的應用.它是利用鐵磁性物質在交變磁場中升溫的物理特性，將磁性物質作為熱介質引入腫瘤組織，將腫瘤組織加熱到治療溫度，并保護了腫瘤組織周圍的正常組織.這種能量靶向定位的治療方法可有效地殺死腫瘤細胞，并且無明顯副作用，是有潛力的腫瘤治療新技術.

趨磁細菌體等生物體內生物礦化形成的磁性顆粒粒度細小而均勻，結晶程度高，晶形特殊，分離的磁小體顆粒具有許多優(yōu)于無機磁鐵礦的特點，如獨特磁性質，具有有機膜（降低顆粒相互作用力），易于擴散，納米級粒度，成分純度高，性能穩(wěn)定，因此，可更好地完成上述工作，為生物RNA識別，DNA分離技術與探測、醫(yī)學核磁共振成像技術等提供全新的磁性載體.隨著磁性物質在生物體中的發(fā)現(xiàn)，利用生物中的磁現(xiàn)象在醫(yī)學上也有著廣泛的應用.如核磁共振層析成像、腦磁圖的應用等等.

核磁共振現(xiàn)象是由美國科學家柏塞爾（E.M.Pureell）和瑞士科學家布洛赫（E.Bloch）分別于1942年12月和1946年1月獨立發(fā)現(xiàn)的.他們共享了1952年諾貝爾物理學獎.

核磁共振（nuelear magnetic resonance）是原子核的磁矩在恒定磁場和高頻磁場同時作用，且滿足一定條件時發(fā)生的共振吸收現(xiàn)象，是一種利用原子核在磁場中的能量變化來獲得關于核信息的技術.從技術手段上講，核磁共振的應用主要有兩個方面：核磁共振波譜應用和核磁共振成像的應用.核磁共振技術早期僅限于原子核的磁矩、電四磁矩和自旋的測量，隨后則被廣泛用于確定分子結構，用于對生物組織與活體組織的分析、病理分析、醫(yī)療診斷、產品無損檢測等多方面.還可以用來觀測一些動態(tài)過程（如生化過程、化學過程等）的變化.核磁共振成像是從核磁共振譜進一步發(fā)展起來的先進技術.目前已有多種核磁共振成像方法，如質子密度成像，投影重建成像，弛豫時間成像，化學位移成像等等，它們各具特色.核磁共振CT，即核磁共振成像（NMR成像），被廣泛地用于醫(yī)療診斷上，其中最常用的是平面成像，即獲取樣品平面（斷面）上的分布信息.就人體而言，體內的大部分（75%）物質都是水，且不同組織中水的含量不同.用核磁共振CT手段可測定生物組織中含水量分布的圖像，這實際上就是質子密度分布的圖像.當體內遭受某種疾病時，其含水量分布就會變化.利用氫核的核磁共振就能診斷出來.過去診斷人體內部的病變只能靠計算機輔助X射線層析技術（CT），今天，核磁共振層析技術已成為醫(yī)學上一種普遍使用的重要診斷手段（圖3）.

圖3 用核磁共振層析術拍攝的腦截面圖像

磁的世界如同其他物理世界一樣是一個豐富多彩的世界，對它的認知會隨著各種技術手段以及相關認識的發(fā)展源源不斷地向我們走來，我們對它的認識會更加深刻而廣泛.在這里僅僅探討了關于磁的鳳毛麟角，望引起大家對磁的興趣.

［1］ 弗卡約里.物理學史［M］.桂林：廣西師范大學出版社，2002

2011－02－24）

錢霞，聊城大學物理科學與信息工程學院，理學博士，副教授，研究方向：生物磁學.