彩色磁性液体雕塑塔制作与影响因素分析

周 旭

(大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连 116622)

活动艺术与雕塑艺术结合产生的活动雕塑，将雕塑艺术的空间美和运动美表现的淋漓尽致。活动雕塑起源于20世纪50年代，创始人为法国画家维克多·瓦萨雷丽。突破最早静止的雕塑作品，国内外已经对其进行探索，开拓性地将磁性液体与雕塑艺术结合，实现了建筑由静态向动态的转变[1-4]。我国目前的磁性液体展示实验装置，有利用浮力特性[5]和在磁场梯度作用下纳米磁性颗粒的空间分布不同[6]等磁性液体自身性质进行开发，也有借助激光传感器[7]、LED 显示等电子技术进行效果展示，但在建筑雕塑领域的研究工作尚不足。本作品在日本艺术家尔玉幸子提出的“磁性液体雕塑”交互艺术[8]和工作室纳米磁性液体的建筑雕塑塔装置开发研制[9]阶段性成果的基础上，创作出彩色磁性液体雕塑塔成品，将磁性液体和雕塑艺术有机结合，进一步丰富了磁性液体雕塑塔的研究内容。

1 磁性液体和传统雕塑塔装置介绍

1.1 磁性液体

如图1所示，磁性液体(magnetic liquid)由具有良好磁导向性、单分散性、处于纳米级(1～100nm)的强磁性颗粒，以及避免颗粒团聚的表面活性剂和用来悬浮磁粉的基载液组成,超微磁性颗粒被表面活性剂包覆。磁性液体是一种高度稳定的胶态液体磁性材料[10]，又称磁流体或磁性胶体。

图1 磁性液体微观结构示意图

如图2所示，当处于一定的磁场条件下，磁性液体中原来无序的磁畴会瞬间有序化，从而呈现出独特的随周围磁力线分布而形成三维尖峰或其他界面形式变化——界面不稳定现象。磁性液体介电特性所表现的磁电方向效应，使磁性颗粒产生了球形分布向长链形的分布变化[11]，导致该处磁性液体表观密度增加[12]，宏观表现为界面不稳定现象。

图2 磁性液体界面不稳定现象——三维尖峰

1.2 传统磁性液体建筑雕塑塔装置

传统磁性液体建筑雕塑塔模型见图3。磁性液体建筑雕塑塔装置结构[9]见图4。传统磁性液体雕塑塔由无色透明液体、建筑雕塑塔、透明玻璃容器、纳米磁性液体、励磁线圈和底座组成。建筑雕塑塔模型参数见表1，励磁线圈绕制参数见表2。

图3 建筑雕塑塔模型

塔底边长/mm塔顶边长/mm塔高/mm底部斜度/(°)2368175

表2 励磁线圈绕制参数

搭建方式：由导磁材料加工而成的建筑雕塑塔置于透明玻璃容器内，从底部的微孔注入黑色磁性液体和彩色透明溶液，进行密封处理，待固定励磁线圈和底座后，从而制成整体样机。

图4中的无色透明液体的作用是使磁性液体不会粘附透明玻璃容器，使磁性液体展示时能够连续流动。本研究的重点在于对无色透明液体进行上色处理，从而自行配置彩色透明液体，进一步拓展我国磁性液体雕塑塔的研究工作。

图4 磁性液体建筑雕塑塔装置结构示意图

2 新型彩色透明液体的配制研究

为了配置成彩色透明液体，需要选择相溶性和透明性好的有色溶剂，并要求彩色透明液体与磁性液体不相溶，为此进行以下实验研究。

2.1 无色透明液体与有色溶液的相溶性研究

根据同性相溶的原理，实验主要针对有机染料(碱性品红和弱酸性墨水红，分别记为A和B)进行，同时还取无机染料C、有机颜料D和无机颜料E作为对照组。无色透明液体与有色粉末的相溶性实验的步骤：取5个实验瓶，依次编号为A～E，分别在其中缓慢加入相同编号的有色粉末。先后采用震荡处理和密封袋封装处理，在温度20 ℃下静置7 d。最后发现，编号为A、B实验瓶的有色溶剂与无色透明液体溶合后，相溶性和透明性均较好(见表3)，较为符合实验预期。

表3 A—E编号实验瓶的实验现象

注：此初选实验结果的充要条件为“相溶且透明”，先后按照相溶性、透明性进行检验。若样品实验结果呈现不溶，则不进行透明性结果标注。

然后利用质量为12.1 g、容积为5.926 0 cm3的密度杯，测出A、B实验瓶中的饱和彩色透明液体样品的密度ρ。完全装满彩色透明液体样品的密度杯，其总质量用m表示，计算得出的密度和相关参数见表4。

表4 饱和彩色透明液体密度

2.2 有色透明液体与磁性液体的不相溶性研究

工作室自制的磁性液体采用PBSI—2153型表面活性剂包覆，然后使氮化铁磁性颗粒与载液白油互溶制成。纳米磁性液体的主要参数一般包括磁饱和强度、固有密度和平均粒度，自制氮化铁磁性液体的具体参数见表5。

表5 自制氮化铁磁性液体性能参数

在A、B实验瓶的饱和彩色透明液体中，缓慢针入上述氮化铁磁性液体，得到其混合物。先后经过振荡处理和密封袋封装处理，并在温度20 ℃下静置14 d。得到的彩色透明液体与磁性液体的特征见表6。彩色透明液最优配置材料为样品B，即弱酸性墨水红。

表6 混合物特征

2.3 彩色透明液体的稳定性研究

以无色透明液体为主体配制彩色透明液体，目的是确定在最优展示效果时弱酸性墨水红与无色透明液体的质量比。

实验步骤：利用纳米磁性液体研发工作室现有实验平台，用精度为0.1 g的电子天平称取3份、每份1 g 的弱酸性墨水红(质量记为m1)，再称取相应质量的无色透明液体(质量记为m2)，以质量比m1∶m2分别为1∶100、1∶200、1∶300配置彩色透明液体，经过震荡处理和密封袋封装处理，在温度20 ℃下静置16 h后观察色彩变化情况，结果见图5。

由图5可知，当质量比为1∶200时，彩色透明液体展示的彩色现象最为明显。

图5 不同质量比下色彩浓度变化情况

3 新型彩色磁性液体雕塑塔的展示效果和影响因素分析

3.1 新型彩色磁性液体雕塑塔展示效果

与传统雕塑塔展示装置的搭建方式类似，利用自行配置的彩色透明液体搭建的彩色磁性液体雕塑塔，展示效果见图6。本研究拓展了我国磁性液体在建筑雕塑领域的应用研究，它的视觉展示效果更为鲜明。

图6 彩色磁性液体雕塑塔展示效果对照图

3.2 彩色磁性液体雕塑塔的影响因素分析

实验所用有色溶剂，必须要与无色透明液体相溶，形成有色透明溶液。首先，其相溶性和透明性均必须好，以便初步配成彩色透明液体；其次，初步选择的彩色透明液体，还必须满足在不破坏磁性液体的情况下，与磁性液体不相溶。在本实验组中，得出弱酸性墨水红为最优选取材料，它能使磁性液体的展示最有效。由于该装置需要长久封装保存在展览馆和博物馆等地方，对初步选择的彩色透明液体进行密封式的稳定性实验，确定了彩色液体的最佳质量配比为1∶20，最后组装成新型彩色磁性液体雕塑塔展示装置。

今后进一步的研究，是要推广到其他颜色。

4 结束语

利用自行配制的彩色透明液体，改变传统磁性液体的组成，成功地搭建彩色透明液体雕塑塔样机。通过定量和定性实验，对彩色透明液体的配制进行了研究。在材料宏观结构方面，这种三维立体、受磁场控制的展示装置——彩色磁性液体雕塑塔，不仅会更广泛应用于科技展馆等展览场所，而且也会向磁悬浮等的智能化方向发展。

[1] 孙峤, 李学慧,付延庆，等.展示磁场空间分布的磁性液体系列装置:中国,ZL200920016093.1[P].2010-06-02.

[2] 李学慧.纳米磁性液体:制备、性能及其应用[M].北京：科学出版社，2009：69-70.

[3] Cowley M D, Rosensweig R E. The Interfacial Stability of a Ferromagnetic Fluid[J]. Fluid Mech,1967,30:671-688.

[4] 高橋怜子. CGのための磁性流体モデルの構築に向けた基礎検討[D].东京都:電気通信大学卒業論文,2007.

[5] 徐军,康大伟. 磁性液体浮力变化演示实验研究[J]. 实验技术与管理,2005,22(2):50-51，56.

[6] 李学慧,李艳琴,刘志升,等. 磁性液体纳米磁性颗粒空间分布的演示实验研究[J]. 实验技术与管理,2008,25(4):37-40.

[7] 刘冰,张卫山,张旭,等. 基于激光传感器的磁性液体演示仪[J]. 实验技术与管理,2013,30(12):67-68.

[8] Kodama S. Dynamic Ferrofluid Sculpture：Organic Shape-Changing Art Forms[J].CACM,2008,51(6):79-81.

[9] 苏玉美,孙峤. 基于纳米磁性液体的建筑雕塑塔装置研制[J]. 新技术新工艺,2012(1):43-45.

[10] 李洪帅,李学慧,董桂馥,等. 磁性液体摩擦学性能研究[J]. 润滑与密封,2009(11):9-12.

[11] 许培英,盛冬宁,陆怀先. 磁性液体的介电特性[J]. 物理学报,1988(7):1192-1196.

[12] 李艳琴,董桂馥. 横向磁场中磁性液体表观密度研究[J]. 实验技术与管理,2013,30(6):28-30.