Mechanische Kraft auf Knopfdruck
Magnetisch aktivierbare Suprapartikel wandeln Wärme in Arbeit um und können das 25.000-Fache ihres Eigengewichts heben
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magnetische Nanopartikel lassen sich berührungslos erhitzen. Forschende der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) nutzen zusammen mit Forschenden der Universität Helsinki diesen Effekt nun, um daraus mechanische Kräfte zu erzeugen: Mikrometergroße Suprapartikel wandeln die durch ein wechselndes Magnetfeld erzeugte Wärme in Gasdruck und Volumenexpansion um. Bereits 20 Milligramm des Materials können dabei eine Masse von 500 Gramm heben.
Wärme wird zu mechanischer Arbeit
Magnetische Nanopartikel können elektromagnetische Energie effizient in Wärme umwandeln. Werden sie einem hochfrequenten Wechselfeld ausgesetzt, steigt ihre Temperatur innerhalb kürzester Zeit stark an. Dieses Prinzip der induktiven Erwärmung wird für die berührungslose Wärmebehandlung von Materialien untersucht.
Das Team um Karl Mandel vom Lehrstuhl für Partikelbasierte Materialchemie verfolgt einen anderen Ansatz: Die magnetischen Nanopartikel werden mit einer zweiten Komponente kombiniert, die auf die entstehende Wärme mit einer Expansion reagiert. Durch Sprühtrocknung entstehen daraus mikrometergroße Suprapartikel, in denen Wärmequelle und funktionelle Komponente unmittelbar miteinander verbunden sind.
Wird ein magnetisches Wechselfeld angelegt, erwärmen sich die Nanopartikel. Die lokal entstehende Wärme setzt daraufhin innerhalb der Suprapartikel eine schnelle Gasbildung oder Verdampfung in Gang. Der dabei entstehende Druck führt zur Expansion – und kann mechanische Arbeit verrichten.
Zwei unterschiedliche Mechanismen
Die Forschenden entwickelten dafür zwei Systeme.
Im ersten System kommt Azodicarbonamid (ADCA) zum Einsatz. Das Material wirkt als chemisches Treibmittel und zersetzt sich bei Erwärmung unter schneller Gasentwicklung. Weil die Wärme direkt von den benachbarten magnetischen Nanopartikeln erzeugt wird, kann innerhalb von weniger als einer Sekunde eine große Menge Gas entstehen. Der Druck lässt die Struktur der Suprapartikel aufbrechen.
Das zweite System basiert auf einem Superabsorber-Polymer aus Poly(acrylamid-co-acrylsäure). Dieses Polymer nimmt zunächst Wasser auf. Nach einer anschließenden Trocknung verbleibt ein Teil des Wassers fest in der Polymerstruktur gebunden. Bei der induktiven Erwärmung verdampft es. Da der Wasserdampf zunächst nicht schnell genug aus dem Polymer entweichen kann, steigt der Innendruck und das Material dehnt sich stark aus.
Die beiden Systeme zeigen damit unterschiedliche Reaktionen auf denselben äußeren Reiz: Während das ADCA-System vor allem schnell große Mengen Gas freisetzt, führt das Superabsorber-System zu einer deutlichen makroskopischen Volumenexpansion.
20 Milligramm heben 500 Gramm
Wie groß die daraus entstehenden Kräfte sein können, demonstrierten die Forschenden mit einem einfachen Hebeversuch. 20 Milligramm Suprapartikel konnten eine Masse von 500 Gramm anheben – das entspricht dem 25.000-Fachen der eingesetzten Materialmasse.
Aktivierung aus der Ferne
Ein wesentlicher Vorteil des Systems ist die berührungslose Aktivierung. Die Suprapartikel benötigen weder eine elektrische Verbindung noch eine direkte Wärmequelle. Ein äußeres magnetisches Wechselfeld reicht aus, um die Expansion auszulösen.
Dabei spielt nicht nur die erreichte Temperatur eine Rolle. Entscheidend ist auch, wie schnell die magnetischen Nanopartikel die Wärme erzeugen. Nur wenn die Wärme schnell genug entsteht, kann sich innerhalb der Suprapartikel ein ausreichender Druck aufbauen, bevor Gas oder Wärme an die Umgebung verloren gehen. Langsames oder gleichmäßiges Erwärmen, beispielsweise in einem Ofen, führt dagegen nicht zur gleichen Reaktion.
Die Forschenden konnten außerdem zeigen, dass sich die maximale Temperatur über die Wahl der magnetischen Nanopartikel beeinflussen lässt. So können beispielsweise neben Nanopartikeln mit maximaler Heizrate auch Zink-Kobalt-Ferrit-Nanopartikel eingesetzt werden, deren niedrigere Curie-Temperatur die maximal erreichbare Temperatur begrenzt. Dadurch lässt sich die Aktivierung kontrollierter durchführen und eine Schädigung der Umgebung vermeiden.
Epoxidharz lässt sich gezielt aufbrechen
Besonders interessant ist das Konzept für Materialien, die sich normalerweise nur schwer wieder trennen lassen. Die Forschenden integrierten die Suprapartikel deshalb in eine Matrix aus Epoxidharz.
Epoxidharze bilden beim Aushärten dauerhaft vernetzte Strukturen, die sich nicht einfach wieder auflösen oder umformen lassen. Werden die eingebetteten Suprapartikel jedoch einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt, erzeugen sie lokal Gasdruck beziehungsweise Volumenexpansion. Die dabei entstehenden mechanischen Spannungen können das Epoxidharz aufbrechen. In den Experimenten ließ sich der Verbund innerhalb von höchstens zehn Sekunden zerstören.
Damit könnten magnetisch aktivierbare Suprapartikel künftig beispielsweise für Debonding-on-Demand, die Demontage von Verbundwerkstoffen oder die gezielte Freisetzung einzelner Komponenten interessant werden. Besonders für Materialien mit dauerhaft vernetzten Strukturen könnte eine solche lokal und berührungslos ausgelöste mechanische Aktivierung neue Möglichkeiten eröffnen.
Mikroskopische Aktoren für adaptive Materialien
Die Arbeit zeigt damit einen neuen Ansatz, um magnetische Nanopartikel nicht nur als Wärmequellen, sondern als Bestandteil mikroskopischer Aktoren einzusetzen. Ein äußeres Magnetfeld löst dabei eine Kette von Prozessen aus: Die Nanopartikel erzeugen Wärme, diese aktiviert eine chemische oder physikalische Expansion, und der entstehende Druck wird in mechanische Arbeit umgesetzt.
Die Kombination aus berührungsloser Aktivierung, schneller Reaktion und hoher auf die Materialmasse bezogener Kraft könnte künftig für adaptive Materialien, schaltbare Materialverbindungen und mikroskopische Aktoren interessant sein. Die Forschenden sehen insbesondere Potenzial für Systeme, bei denen mechanische Funktionen ohne Kabel und ohne direkten Zugang zum Material ausgelöst werden sollen.
Die Studie „Inductively Expandable Supraparticles as Microscopic Force Generators for Remote Mechanical Actuation“ von Leoni Luthardt, Stephan Müssig, Robert Luxenhofer und Karl Mandel wurde in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.
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