28.07.2020 - Universität zu Köln

Magnetische Nanoteilchen ändern in einem Magnetfeld ihre magnetische Struktur

Internationales Forschungsteam hat die Auswirkungen von Magnetfeldern auf magnetische Nanoteilchen untersucht

Werden ultrafeine magnetische Partikel einem von außen einwirkenden Magnetfeld ausgesetzt, wächst ihr magnetischer Kern in bisher unerwarteter Weise. Das hat ein Team von Wissenschaftlern der Universität zu Köln, des Forschungszentrums Jülich und des Instituts Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich, durch Untersuchungen mit Neutronenstreuung gezeigt.

Die Studie ermöglicht ein genaueres Verständnis von Struktur und Verhalten der magnetischen Nanoteilchen in einem Magnetfeld, was für zahlreiche Anwendungen von Bedeutung ist. So können magnetische Nanoteilchen zum Beispiel gezielt an bestimmte Stellen des menschlichen Körpers gesteuert und dort für eine Wärmetherapie in der Krebsbehandlung eingesetzt werden. Magnetische Nanoteilchen werden zudem in chemischen Prozessen als Katalysator eingesetzt und spielen eine Rolle für die Entwicklung neuer Batterietechniken.

Nanoteilchen sind natürlich entstandene oder synthetisch hergestellte Teilchen mit einer Größe von 1 bis 100 Nanometern. Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters. Die Teilchen bestehen aus mehreren tausend Atomen und sind etwas kleiner als Bakterien. Nanoteilchen besitzen im Vergleich zu Festkörpern und größeren Partikeln spezifische chemische und physikalische Eigenschaften, so dass aus ihnen völlig neuartige Materialien hergestellt werden können.

Magnetische Nanoteilchen bestehen aus einem magnetischen Material, das beispielsweise Eisen, Nickel oder Kobalt enthält. Sind die Teilchen klein genug, verhalten sie sich wie kleine Magnete, die einen Nord- und einen Südpol aufweisen und sich in jede Richtung drehen können. Kleine magnetische Partikel findet man natürlich gewachsen in Gesteinen, aber auch in einigen Lebewesen, wie Bakterien, wo die Minimagnete bei der Orientierung der Bewegung eine Rolle spielen (Magnetotaxis). Von technologischer Bedeutung sind sie für magnetische Flüssigkeiten (Ferrofluide), Permanentmagnete, Magnetspeichermedien oder biomedizinische Anwendungen.

Der innere Aufbau eines magnetischen Nanoteilchens wird dabei oft mit einem einfachen, statischen Modell beschrieben. Nach diesem Modell sind magnetische Nanoteilchen aus einem magnetischen Kern und einer nicht oder nur gering magnetisierten Oberfläche aufgebaut. Bisher ging die Wissenschaft davon aus, dass Magnetismus in einem Nanoteilchen im Wesentlichen nur auf diesen Kernbereich beschränkt ist, da hier eine gewisse Ordnung der Atome besteht, so dass die magnetischen Momente oder die Spins, also die Eigendrehimpulse der Elektronen, regelmäßig ausgerichtet sein können. Im strukturell ungeordneten Oberflächenbereich des Nanoteilchens sind die Spins demgegenüber wahllos ausgerichtet. Es kann daher dort keine Ordnung und somit kein Magnetismus entstehen.

Dr. Sabrina Disch vom Department Chemie der Universität zu Köln und Kollegen ihres Forschungsteams haben nun mittels Neutronenstreuung an Kobaltferrit-Nanoteilchen gezeigt, dass sich die Struktur magnetischer Nanoteilchen im Magnetfeld verändert. Im Experiment vergrößerte sich das magnetische Kernvolumen um bis zu 20% bei Anlegen eines äußeren magnetischen Feldes. Gleichzeitig verringerte sich die Dicke des ungeordneten Oberflächenbereichs von 0,7 Nanometer (bei 11 Millitesla) auf 0,28 Nanometer (bei 1,2 Tesla).

„Durch das angelegte Magnetfeld wird ein Teil der zuvor ungeordneten magnetischen Momente im Oberflächenbereich vergleichbar zur Magnetisierung im Kernbereich ausgerichtet und so in eine Ordnung gebracht. Es verbleibt allerdings an der Oberfläche ein Restbereich mit unterschiedlich ausgerichteten Spins, der durch das angelegte Magnetfeld nicht geordnet werden kann“, so Dr. Dominika Zákutná, die als ehemalige Doktorandin in der Arbeitsgruppe von Dr. Disch einen Teil ihrer Arbeit am Institut Laue-Langevin in Grenoble durchgeführt hat. Dieser weiterhin ungeordnete und nicht-magnetische Bereich macht im Experiment immerhin 12% des Volumens des Nanoteilchens selbst im höchsten magnetischen Feld aus. Insgesamt lassen die Untersuchungen den Schluss zu, dass die Größe des magnetischen Partikelkerns von dem Ausmaß der Unordnung bei den Spins in der Partikeloberfläche beeinflusst wird. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass das bisher verbreitete statische Erklärungsmodell für magnetische Nanoteilchen nicht ausreichend ist und um eine vom magnetischen Feld abhängige Komponente erweitert werden muss, die von der strukturellen Unordnung bestimmt wird “, sagt Dr. Disch.

Die internationale Forschungsgruppe hat für ihre Experimente Neutronenstreuinstrumente des Institut Laue-Langevin in Grenoble sowie des Jülich Centre for Neutron Scattering am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching genutzt. Neutronenstreuung findet breite Anwendung in der Wissenschaft in der Bestimmung struktureller und dynamischer Eigenschaften von Materialien. Mit Hilfe von Neutronenstreuung konnten hier die Magnetisierung im Kern und Oberflächenbereich eines Nanoteilchens jeweils gleichzeitig, aber getrennt voneinander untersucht werden.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Nanoteilchen
Mehr über Uni Köln
  • News

    Klassisches Doppelspalt-Experiment in neuem Licht

    Einem internationalen Forscherteam unter Führung von Physikern des Sonderforschungsbereichs 1238 der Universität zu Köln ist es gelungen, eine neue Variante des grundlegenden Doppelspalt-Experiments mittels resonanter inelastischer Röntgenstreuung am Europäischen Synchrotron ESRF in Grenobl ... mehr

    Supraleitfähigkeit und Ferroelektrizität können kooexistieren

    Supraleitfähigkeit und Ferroelektrizität sind zwei Materiezustände, die im Allgemeinen wenig miteinander zu tun haben. In supraleitenden Materialien verschwindet der elektrische Widerstand unterhalb einer so genannten Sprungtemperatur vollständig, was diese Stoffe besonders interessant für ... mehr

    Wie man keinen Nobelpreis gewinnt

    Während die ganze Welt über die frisch gekürten Nobelpreisträger spricht, würdigt Nils Hansson in seinem Habilitationsprojekt Wissenschaftler, die leer ausgegangen sind – die „qualifizierten Verlierer“, wie er sie nennt. Der Kölner Medizinhistoriker hat die Geschichte des berühmten Preises ... mehr

  • q&more Artikel

    Goldplasma macht unsichtbare Strukturen sichtbar

    Die Mikro-Computertomographie (μCT) ist in den letzten Jahren zu einer Standardmethode in vielen medizinischen, wissenschaftlichen und industriellen Bereichen geworden. Das bildgebende Verfahren ermöglicht die zerstörungsfreie, dreidimensionale Abbildung verschiedenster Strukturen. mehr

  • Autoren

    Peter T. Rühr

    Peter T. Rühr, Jahrgang 1988, studierte Biologie mit Schwerpunkt auf der Kopfmorphologie von Ur-Insekten am Zoologischen Forschungsmuseum Alexander Koenig und an der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, wo er 2017 seinen Masterabschluss erhielt. Seit 2018 promoviert er an der Un ... mehr

Mehr über Forschungszentrum Jülich
  • News

    Ionische Flüssigkeit sprengt Holzfasern in wenigen Minuten

    Aus Holz lassen sich hochwertige Biopolymere gewinnen, die fossile Rohstoffe als Ausgangsmaterial für eine Vielzahl von Produkten ersetzen könnten. Dazu sind jedoch mildere Verfahren nötig als etwa bei der Zellstoffgewinnung zur Papierherstellung. Sogenannte ionische Flüssigkeiten eignen si ... mehr

    Neues Verständnis der Defektbildung an Silizium-Elektroden

    Theoretisch lässt sich das Speichervermögen von handelsüblichen Lithiumionen-Batterien noch vervielfachen – mit einer Elektrode, die auf Silizium anstatt auf Graphit basiert. Doch in der Praxis machen solche Akkus mit Silizium-Anoden nach wenigen Lade-Entlade-Zyklen schlapp. Ein internation ... mehr

    Kavli-Preis für Wegbereiter der modernen Elektronenmikroskopie

    Der Kavli-Preis für Nanowissenschaften geht in diesem Jahr an Prof. Knut Urban vom Forschungszentrum Jülich. Der Wissenschaftler, ehemals Direktor des Instituts für Mikrostrukturforschung sowie des Ernst Ruska-Centrums für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C), erhält die Ausz ... mehr

  • Videos

    Zukunft ist unsere Aufgabe: Das Forschungszentrum Jülich

    Das Forschungszentrum Jülich betreibt interdisziplinäre Spitzenforschung in den Bereichen Energie und Umwelt sowie Information und Gehirn. Es stellt sich drängenden Fragen der Gegenwart und entwickelt Schlüsseltechnologien für morgen. mehr

    Die (R)Evolution der Elektronenmikroskopie - So funktioniert PICO

    Das Elektronenmikroskop PICO erreicht eine Rekordauflösung von 50 Milliardstel Millimetern. Es ermöglicht Anwendern aus Wissenschaft und Industrie, atomare Strukturen in größtmöglicher Genauigkeit zu untersuchen und Fortschritte in Bereichen wie der Energieforschung oder den Informationstec ... mehr

  • Firmen

    Forschungszentrum Jülich GmbH, Projektträger Jülich

    Forschungsförderung im Auftrage der Bundesministerien für Bildung und Forschung (BMBF), Wirtschaft (BMWA), Umwelt (BMU) sowie verschiedener Bundesländer. mehr

  • Forschungsinstitute

    Forschungszentrum Jülich GmbH

    Das Forschungszentrum Jülich betreibt interdisziplinäre Spitzenforschung zur Lösung großer gesellschaftlicher Herausforderungen in den Bereichen Gesundheit, Energie & Umwelt sowie Informationstechnologie. Kombiniert mit den beiden Schlüsselkompetenzen Physik und Supercomputing werden in Jül ... mehr

    Forschungszentrum Jülich GmbH, Projektträger Jülich

    Erfolgreiche Wissenschaft braucht mehr als gute Forschung. Damit öffentliche Förderprogramme ihre Ziele erreichen, Industriepartner und Forschungseinrichtungen gewinnbringend zusammenarbeiten und Forscher über Fördermöglichkeiten in ihrem Arbeitsfeld gut informiert sind, ist Sachverstand im ... mehr

  • q&more Artikel

    Makromolekulare Umgebungen beeinflussen Proteine

    Eine intensive Wechselwirkung von Proteinen mit anderen Makromolekülen kann wichtige Eigenschaften von Proteinen wie z. B. die Translationsbeweglichkeit oder den Konformationszustand signifi kant verändern. mehr

    Koffein-Kick

    Koffein ist die weltweit am weitesten verbreitete psycho­aktive Substanz. Sie findet sich als Wirkstoff in Getränken wie Kaffee, Tee und sog. Energy Drinks. Koffein kann Vigilanz und Aufmerksamkeit erhöhen, Schläfrigkeit reduzieren und die kognitive Leistungsfähigkeit steigern. Seine neurob ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Jörg Fitter

    Jg. 1963, studierte Physik an der Universität Hamburg. Nach seiner Promotion an der FU Berlin war er im Bereich der Neutronenstreuung und der molekularen Biophysik am HahnMeitnerInstitut in Berlin und am Forschungszentrum Jülich tätig. Er habilitierte sich in der Physikalischen Biologie der ... mehr

    Dr. David Elmenhorst

    David Elmenhorst, geb. 1975, studierte Medizin in Aachen und promovierte am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln im Bereich der Schlafforschung. 2008/2009 war er Gastwissenschaftler am Brain Imaging Center des Montreal Neuro­logical Institut in Kanada. Seit 2003 ist er in der A ... mehr

    Prof. Dr. Andreas Bauer

    Andreas Bauer, geb. 1962, studierte Medizin und Philo­sophie in Aachen, Köln und Düsseldorf, wo er auf dem Gebiet der Neurorezeptorautoradiografie promovierte. Seine Facharztausbildung absolvierte er an der Universitätsklinik Köln, er habilitierte an der Universität Düsseldorf im Fach Neuro ... mehr

Mehr über Institut Laue-Langevin