Superstarke magnetische Superkristalle können sich selbst zusammensetzen
Verner Håkonsen arbeitet mit so kleinen Würfeln, dass fast 5 Milliarden von ihnen auf einen Stecknadelkopf passen könnten. Er kocht die Würfel im NanoLab der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU) in einem seltsam aussehenden Glaskolben mit drei Hälsen auf der Oberseite mit einer Mischung aus Chemikalien und Spezialseife.
Wo alt auf neu trifft: Verner Håkonsen arbeitet mit modernster Nanotechnologie, während er sich mit selbst montierenden Superkristallen beschäftigt. Aber bei seiner Forschung helfen ihm die altmodischen Kupfer-Magnetspulen der Physikabteilung der NTNU. Ihre Struktur ermöglicht es Håkonsen, ein Magnetfeld um seine Nanowürfel herum zu erzeugen, die sich innerhalb der Spulen in einem Tiegel befinden. Das Magnetfeld bewirkt, dass sich die Würfel in unterschiedlichen Mustern selbst zusammensetzen.
Nancy Bazilchuk/NTNU
Und wenn er diese unsichtbaren Würfel einem Magnetfeld aussetzt, vollbringen sie eine magische Leistung: Sie fügen sich in jede beliebige Form zusammen.
"Es ist wie beim Bau eines Hauses, nur dass man es nicht bauen muss", sagt er. Die Magnetkraft und andere Kräfte bewirken, dass "das Haus selbst baut - alle Bausteine passen unter den richtigen Bedingungen perfekt zusammen".
Obwohl es den Forschern bisher gelungen ist, Nanopartikel auf unterschiedliche Weise zusammenzusetzen, zeigen Håkonsen und seine Kollegen als erste, wie wichtig der Magnetismus für die mechanischen Eigenschaften bestimmter Nanopartikelstrukturen sein kann.
Die Forscher nannten ihre winzigen Nanowürfel-Kreationen Suprastrukturen oder Superkristalle, weil die Nanowürfel in einem geordneten Muster organisiert sind, ähnlich wie Atome in einem Kristall. "Superkristalle sind besonders interessant, weil sie im Vergleich zu einem einzelnen Nanopartikel oder zu einem Schüttgut verbesserte Eigenschaften aufweisen", sagt Håkonsen.
Die große Erkenntnis ist, dass bei der Selbstorganisation von magnetischen Würfeln zu einem Superkristall - zum Beispiel in Formen wie Linien, Stäben oder Spiralen - die Kohäsionsenergie zwischen den Teilchen im Superkristall aufgrund der magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Würfeln um bis zu 45 Prozent zunehmen kann.
"Das bedeutet, dass die Energie, die das Ganze zusammenhält, um bis zu 45 Prozent steigt", sagte er.
Die Stärke der Superkristalle in Kombination mit ihren verbesserten magnetischen Eigenschaften wird der Schlüssel zur Entwicklung zukünftiger Anwendungen sein, die von Anwendungen für die Automobilindustrie bis hin zur Informationstechnologie reichen könnten. Håkonsens Forschung wurde gerade in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht.
Wenn die Dinge winzig werden, wird die Physik seltsam
Ein zentraler Grundsatz der Nanopartikelforschung ist, dass je kleiner die Partikel, desto fremder ihr Verhalten. Denn mit abnehmender Größe stellt die Oberfläche des Partikels einen viel größeren Prozentsatz des Gesamtvolumens der Struktur dar als bei Partikeln, die nicht in Nanogröße vorliegen.
"Je kleiner die Nanopartikel sind, desto instabiler können sie sein", sagte Håkonsen. Dies ist der so genannte "Größeneffekt" in den Nanowissenschaften und einer der grundlegenden Aspekte der Nanotechnologie, da die Dinge kleiner als 100 nm werden.
"Man kann sogar Partikel haben, die sich aufgrund ihrer geringen Größe spontan zwischen verschiedenen Kristallstrukturen verschieben", erklärte er. "Die Partikel schmelzen teilweise."
Der Größeneffekt wirkt sich auch auf andere Eigenschaften in kleinen Nanopartikeln aus, wie z.B. magnetische Eigenschaften, bei denen das Magnetfeld des Partikels von selbst in verschiedene Richtungen zu springen beginnen kann.
Größe ist immer noch wichtig
Mit anderen Worten, auch wenn der Magnetismus die selbstorganisierten Nanostrukturen der Forscher stark machen könnte, spielte der Größeneffekt eine Rolle. Wenn die Superkristalle super klein waren, waren die Strukturen schwächer als ihre größeren Gegenstücke.
"Das bedeutet, dass man einen Größeneffekt hat, wenn es um die mechanische Stabilität auch in Superkristallen geht - ein "Super-Size-Effekt" -, aber es deutet auch darauf hin, dass es Größeneffekte für andere superkristalline Eigenschaften gibt", sagte Håkonsen. "Bemerkenswert ist auch, dass dieser Super-Size-Effekt über die Nanoskala hinaus und bis ins Mikromaßstab reicht."
Anstatt jedoch ein Problem zu stellen, könnte das Wissen, dass der Größeneffekt die Superkristalle beeinflusst, es den Forschern ermöglichen, das Verhalten der Strukturen durch eine Vielzahl von verschiedenen Faktoren zu steuern - oder einzustellen.
"Das könnte ein neues Feld eröffnen, die größengesteuerte Abstimmung", sagte Håkonsen. "Es könnte möglich sein, die Eigenschaften von Superkristallen zu kontrollieren, nicht nur durch die Art und Weise, wie Partikel selbst hergestellt werden, sondern auch durch die Form und Größe des Superkristalls und die Anzahl der Partikel in ihm."
Magnetit-Würfel
Håkonsen's Forschung im NTNU Nanomechanical Lab basiert auf Nanowürfeln, die er selbst aus Magnetit herstellt, weshalb sie sich als Reaktion auf ein Magnetfeld selbst zusammensetzen.
Im Wesentlichen stellt er ein Molekül her, das er dann in einem Lösungsmittel erwärmt, das eine seifenähnliche Substanz namens Tensid enthält. Das Tensid verhindert, dass die Nanowürfel zu groß werden und kann auch die Form des Nanopartikels steuern. Auf diese Weise können Håkonsen und sein Team unter anderem Würfel und Kugeln herstellen.
Die Mitarbeiter von Håkonsen kommen aus allen Disziplinen, darunter Physiker, Mechaniker, Materialwissenschaftler und Informatiker, und kommen von der University of Sydney und der UCLM (Universidad de Castilla-La Mancha) sowie der NTNU. Die Forscher wählten Würfel für ihre Studie, weil es weniger Forschung über Würfel als über Kugeln gegeben hat, und Würfel sind auch die wahrscheinlichsten, die die stärkste Struktur liefern, sagte er.
"Das ist Grundlagenforschung. Unsere Motivation war es, zu untersuchen, wie der Magnetismus die mechanischen Eigenschaften von Superkristallen beeinflusst", sagte er. "Es ist wichtig, weil wir all diese potenziellen Anwendungen haben, aber um sie zu realisieren, brauchen wir auch mechanisch stabile Superkristalle."
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