錢 霞

（聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，山東 聊城 252059）

淺談“磁”

錢 霞

（聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)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(chǔ)等方面的應(yīng)用，同時(shí)也闡述了生物磁現(xiàn)象、生物磁的導(dǎo)航功能及在醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用.

磁；磁性材料；生物磁

人們對(duì)磁的認(rèn)識(shí)可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代，我國古代司南的應(yīng)用就是最好的例證.在西方，人們對(duì)磁的認(rèn)識(shí)同樣可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代.傳說在古希臘，牧人瑪格內(nèi)斯在克里特島的艾達(dá)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(gè)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(dāng)遠(yuǎn)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(xì)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(gòu)成所有物質(zhì)的原子是由帶正電的原子核和核外帶負(fù)電的電子構(gòu)成的，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生磁矩.由于原子核的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量，原子核的磁矩遠(yuǎn)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(shí)，原子核的磁性被忽略不計(jì).只有在某些情況下，原子核磁矩必須被考慮以及應(yīng)用，例如現(xiàn)在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的核磁共振成像（也常稱磁共振CT），便是應(yīng)用氫原子核的磁性.

那么電子的磁性又是怎樣的呢？從科學(xué)研究已經(jīng)知道，原子中電子的磁性有兩個(gè)來源.一是電子本身具有自旋，因而能產(chǎn)生自旋磁性，稱為自旋磁矩；另一個(gè)是原子中電子繞原子核作軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的軌道磁性，稱為軌道磁矩.電子的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使電子本身具有磁性，成為一個(gè)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(zhuǎn).這種情況實(shí)際上類似于電流產(chǎn)生磁場的情況.既然電子的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使它成為小磁鐵，那么原子乃至整個(gè)物體會(huì)不會(huì)就自然而然地也成為一個(gè)磁鐵了呢？當(dāng)然不是.只有少數(shù)物質(zhì)如鐵、鈷、鎳等才具有比較強(qiáng)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(chǎn)生的磁矩會(huì)互相抵消，整個(gè)原子以至于整個(gè)物體對(duì)外沒有磁性，整個(gè)物質(zhì)會(huì)由于電子在磁場中具有電磁感應(yīng)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(dǎo)致整個(gè)原子具有一定的總磁矩.但由于熱擾動(dòng)，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(gè)物質(zhì)并不會(huì)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(duì)于少數(shù)物質(zhì)，例如鐵、鈷、鎳等，它們的原子內(nèi)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(shí)，由于一種被稱為“交換作用”的機(jī)理，這些原子磁矩在小的區(qū)域（磁疇）內(nèi)被整齊地排列起來，整個(gè)物體也就有了強(qiáng)磁性.

2 磁性材料及應(yīng)用

磁性材料的種類很多，用途十分廣泛.當(dāng)前應(yīng)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(diǎn)，是目前發(fā)現(xiàn)磁性能最高的永磁體材料，被稱為超級(jí)磁體和當(dāng)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(jī)、電聲、電動(dòng)控制、磁力機(jī)械、微波通信、石油化工、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域.由于此類材料具有超乎尋常的功能，使電子信息設(shè)備在不斷提高技能的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了輕、薄、小型化.還在核磁共振儀器、磁懸浮列車等領(lǐng)域有著精妙的應(yīng)用，并被確定為電動(dòng)汽車主發(fā)動(dòng)機(jī)的首選材料.有專家預(yù)測，未來幾年內(nèi)，如果稀土永磁材料得到良好的應(yīng)用，僅材料產(chǎn)值就將要達(dá)到35億美元，其輻射產(chǎn)值將達(dá)到數(shù)千億美元.軟磁材料則在電機(jī)工業(yè)、通信、電子學(xué)器件等方面具有廣泛的應(yīng)用.信息磁功能材料（簡稱信磁材料）在通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)、微波通信和光通信等高新信息技術(shù)中被廣泛的需要.而當(dāng)代科學(xué)的發(fā)展和高新技術(shù)的多種需要，促進(jìn)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(yùn)線于2002年12月31日在上海浦東全線運(yùn)行.置身其中，您會(huì)親身體驗(yàn)到這架“陸地客機(jī)”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(shè)計(jì)最高時(shí)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(jī)則需5小時(shí).磁懸浮列車與當(dāng)今的高速列車相比，具有許多無可比擬的優(yōu)點(diǎn).

磁懸浮列車的原理并不深?yuàn)W.它是運(yùn)用磁鐵“同性相斥，異性相吸”的性質(zhì)，使磁鐵具有抗拒地心引力的能力，即“磁性懸浮”.科學(xué)家將“磁性懸浮”這種原理運(yùn)用在鐵路運(yùn)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(shí)利用列車上磁鐵與鐵軌兩側(cè)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(duì)環(huán)境的污染，時(shí)速可達(dá)幾百公里以上.超導(dǎo)材料具有零電阻、抗磁性和高靈敏度的特點(diǎn).利用超導(dǎo)材料產(chǎn)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(dǎo)材料作車輪的磁懸浮列車，其能耗比民航客機(jī)減少一半，速度卻一樣，將成為未來的超級(jí)特快列車.

2.2 磁存儲(chǔ)

磁存儲(chǔ)技術(shù)在當(dāng)今信息時(shí)代的應(yīng)用越來越廣泛，利用它可對(duì)多種圖像、聲音、數(shù)碼等信息轉(zhuǎn)換、記錄、存儲(chǔ)和處理.我們常用的計(jì)算機(jī)硬盤、移動(dòng)硬盤都應(yīng)用了磁存儲(chǔ)技術(shù)的原理.計(jì)算機(jī)的硬盤是通過磁介質(zhì)來存儲(chǔ)信息的，計(jì)算機(jī)硬盤所用的材料是巨磁電阻材料.一塊密封的計(jì)算機(jī)硬盤內(nèi)部包含若干個(gè)磁盤片，磁盤片的每一面都被以轉(zhuǎn)軸為中心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個(gè)磁道，每個(gè)磁道又被劃分為若干個(gè)扇區(qū).磁盤片上的磁涂層是由數(shù)量眾多的、體積極為細(xì)小的磁顆粒組成，若干個(gè)磁顆粒組成一個(gè)記錄單元來記錄1比特信息，即0或1.磁盤片的每個(gè)磁盤面都相應(yīng)有一個(gè)磁頭.當(dāng)磁頭掃描過磁盤面的各個(gè)區(qū)域時(shí)，各個(gè)區(qū)域中記錄的不同磁信號(hào)就被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)的變化進(jìn)而被表達(dá)為0和1，它們成為所有信息的原始譯碼.

磁性存儲(chǔ)是最常用的海量存儲(chǔ)技術(shù)，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(jié)構(gòu)合金薄膜或鐵氧體薄膜介質(zhì)是實(shí)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(shù)，量子磁盤技術(shù)是未來極高密度記錄的方向.

從1956年最早出現(xiàn)磁存儲(chǔ)設(shè)備到2000年，硬盤存儲(chǔ)能力已經(jīng)從每平方厘米5000個(gè)字節(jié)增長到每平方厘米50億個(gè)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(chǔ)密度能否獲得突破性的發(fā)展，幾乎完全取決于相關(guān)領(lǐng)域納米材料的研究成果.美國有關(guān)實(shí)驗(yàn)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(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)硬盤的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，這些材料使制造更密集磁介質(zhì)成為可能，而且，使用這些材料生產(chǎn)出的設(shè)備將可能不再受到常規(guī)磁存儲(chǔ)技術(shù)所遇到的限制.目前，納米技術(shù)在硬盤為代表的磁存儲(chǔ)領(lǐng)域早已得到應(yīng)用，如IBM發(fā)明的AFC技術(shù)克服了超順磁現(xiàn)象，硬盤的存儲(chǔ)達(dá)到了每平方英寸100GB的級(jí)別，希克公司正在發(fā)展的SOMA技術(shù)則可以將硬盤的存儲(chǔ)密度達(dá)到50TB.中國科學(xué)院物理研究所和化學(xué)研究所在納米信息存儲(chǔ)材料領(lǐng)域也獲得突破.

3 生物體中的磁現(xiàn)象及應(yīng)用

物質(zhì)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(gè)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(jìn)化過程中，磁場的廣泛存在必然會(huì)影響各種生物包括我們?nèi)祟惖倪M(jìn)化及生存.就是在這種生物與磁的相互作用、進(jìn)化過程中，一種磁性物質(zhì)－磁鐵礦在很多生物體內(nèi)被發(fā)現(xiàn)，如在趨磁細(xì)菌、水藻、蜜蜂、海龜、家鴿、鯊魚甚至我們?nèi)祟惔竽X中等等.正是磁性物質(zhì)的出現(xiàn)使這些生物的行為受到磁場的影響.

在趨磁細(xì)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(zhì)，這些物質(zhì)恰好為磁鐵礦物質(zhì)，它具有與外界的磁鐵礦相同的晶體結(jié)構(gòu)，被稱為磁小體（圖2）.就是這些磁鐵礦物質(zhì)與外加磁場的作用導(dǎo)致它獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

圖1 趨磁細(xì)菌，其身體中心沿軸向呈線性排列的黑色不透明物質(zhì)為磁鐵礦

圖2 趨磁細(xì)菌體內(nèi)的磁小體

生物體內(nèi)的這些磁鐵礦與地磁場的相互作用可以產(chǎn)生能夠探測到的轉(zhuǎn)變，而這種轉(zhuǎn)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(dǎo)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(jī)制就是體內(nèi)的磁鐵礦物質(zhì)作為利用地磁場的“磁接受器”載體進(jìn)行導(dǎo)航.

我們知道，納米粒子由于獨(dú)特的尺寸結(jié)構(gòu)，使得納米粒子具有表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、體積效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng).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(yīng)，還具有異常的磁學(xué)性質(zhì)，如超順磁性、高矯頑力、低居里溫度與高磁化率等特性，可應(yīng)用于各種生物活性物質(zhì)如蛋白質(zhì)、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(lǐng)域.將其結(jié)合到生物分子（如核酸、蛋白質(zhì)、肽等）表面上時(shí)，產(chǎn)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(yùn)輸?shù)拇笱h(huán)載體和組織工程的結(jié)構(gòu)框架，同時(shí)又能用在分子識(shí)別和標(biāo)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(xì)胞分離和酶的固定化等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn).而鐵基磁性納米粒子有著獨(dú)特的化學(xué)和物理特性，已經(jīng)成功地應(yīng)用到磁控生物傳感器、DNA傳感器、蛋白質(zhì)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(yīng)和提高了檢測的通量，為生物傳感器領(lǐng)域開辟了廣闊的前景.同時(shí)，微納米磁性材料在腫瘤磁感應(yīng)熱療中有廣闊的應(yīng)用.它是利用鐵磁性物質(zhì)在交變磁場中升溫的物理特性，將磁性物質(zhì)作為熱介質(zhì)引入腫瘤組織，將腫瘤組織加熱到治療溫度，并保護(hù)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(xì)胞，并且無明顯副作用，是有潛力的腫瘤治療新技術(shù).

趨磁細(xì)菌體等生物體內(nèi)生物礦化形成的磁性顆粒粒度細(xì)小而均勻，結(jié)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(jī)磁鐵礦的特點(diǎn)，如獨(dú)特磁性質(zhì)，具有有機(jī)膜（降低顆粒相互作用力），易于擴(kuò)散，納米級(jí)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(shí)別，DNA分離技術(shù)與探測、醫(yī)學(xué)核磁共振成像技術(shù)等提供全新的磁性載體.隨著磁性物質(zhì)在生物體中的發(fā)現(xiàn)，利用生物中的磁現(xiàn)象在醫(yī)學(xué)上也有著廣泛的應(yīng)用.如核磁共振層析成像、腦磁圖的應(yīng)用等等.

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

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(shí)作用，且滿足一定條件時(shí)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(guān)于核信息的技術(shù).從技術(shù)手段上講，核磁共振的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：核磁共振波譜應(yīng)用和核磁共振成像的應(yīng)用.核磁共振技術(shù)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(jié)構(gòu)，用于對(duì)生物組織與活體組織的分析、病理分析、醫(yī)療診斷、產(chǎn)品無損檢測等多方面.還可以用來觀測一些動(dòng)態(tài)過程（如生化過程、化學(xué)過程等）的變化.核磁共振成像是從核磁共振譜進(jìn)一步發(fā)展起來的先進(jìn)技術(shù).目前已有多種核磁共振成像方法，如質(zhì)子密度成像，投影重建成像，弛豫時(shí)間成像，化學(xué)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(nèi)的大部分（75%）物質(zhì)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(shí)際上就是質(zhì)子密度分布的圖像.當(dāng)體內(nèi)遭受某種疾病時(shí)，其含水量分布就會(huì)變化.利用氫核的核磁共振就能診斷出來.過去診斷人體內(nèi)部的病變只能靠計(jì)算機(jī)輔助X射線層析技術(shù)（CT），今天，核磁共振層析技術(shù)已成為醫(yī)學(xué)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(shù)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(gè)豐富多彩的世界，對(duì)它的認(rèn)知會(huì)隨著各種技術(shù)手段以及相關(guān)認(rèn)識(shí)的發(fā)展源源不斷地向我們走來，我們對(duì)它的認(rèn)識(shí)會(huì)更加深刻而廣泛.在這里僅僅探討了關(guān)于磁的鳳毛麟角，望引起大家對(duì)磁的興趣.

［1］ 弗卡約里.物理學(xué)史［M］.桂林：廣西師范大學(xué)出版社，2002

2011－02－24）

錢霞，聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，理學(xué)博士，副教授，研究方向：生物磁學(xué).