Wissenschaftler drucken magnetische Flüssigkeitströpfchen

Revolutionäres Material könnte zu 3D-druckbaren Magnetflüssigkeitsgeräten für die Herstellung flexibler Elektronik oder zu künstlichen Zellen führen, die erkrankten Zellen zielgerichtete Arzneimitteltherapien zuführen.

Erfinder vergangener Jahrhunderte und Wissenschaftler von heute haben ausgeklügelte Möglichkeiten gefunden, um unser Leben mit Magneten zu verbessern – von der Magnetnadel auf einem Kompass über magnetische Datenspeichergeräte bis hin zu MRT-Körperscannern.

Alle diese Technologien basieren auf Magneten aus festen Materialien. Aber was wäre, wenn Sie ein magnetisches Gerät aus Flüssigkeiten machen könnten? Mit einem modifizierten 3D-Drucker hat ein Team von Wissenschaftlern des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums genau das getan. Ihre Erkenntnisse, die am 19. Juli in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht werden, könnten zu einer revolutionären Klasse von druckbaren Flüssigkeitsgeräten für eine Vielzahl von Anwendungen führen – von künstlichen Zellen, die gezielte Krebstherapien liefern, bis zu flexiblen Flüssigkeitsrobotern, die ihre Form ändern können, um sich an ihre anzupassen Umgebung.

“Wir haben ein neues Material hergestellt, das sowohl flüssig als auch magnetisch ist. Das hat noch niemand beobachtet“, sagte Tom Russell, Gastwissenschaftler am Berkeley Lab und Professor für Polymerwissenschaften und -technik an der University of Massachusetts in Amherst, der die Studie leitete. “Dies öffnet die Tür zu einem neuen Gebiet der Wissenschaft der magnetischen weichen Materie.”

Russell und Liu verwendeten eine 3D-Drucktechnik, die sie zusammen mit dem ehemaligen Postdoktoranden Joe Forth in der Abteilung Materialwissenschaften von Berkeley Lab entwickelt hatten, um 1-Millimeter-Tröpfchen aus einer Ferrofluid-Lösung zu drucken, die Eisenoxid-Nanopartikel mit einem Durchmesser von nur 20 Nanometern enthält.

Die Wissenschaftler Paul Ashby und Brett Helms von Berkeley Labs Molecular Foundry haben mithilfe der Oberflächenchemie und ausgefeilter Rasterkraftmikroskopietechniken gezeigt, dass die Nanopartikel an der Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten durch ein Phänomen namens „Grenzflächenstörung“ eine feststoffähnliche Hülle bilden die Nanopartikel, die sich an der Oberfläche des Tröpfchens ansammeln, “wie die Wände, die in einem kleinen Raum voller Menschen zusammenlaufen”, sagte Russell.

Um sie magnetisch zu machen, platzierten die Wissenschaftler die Tröpfchen durch eine Magnetspule in Lösung. Die Magnetspule zog erwartungsgemäß die Eisenoxid-Nanopartikel auf sich zu.

Aber als sie die Magnetspule entfernten, passierte etwas ganz Unerwartetes.

Wie synchronisierte Schwimmer bewegten sich die Tröpfchen in perfekter Übereinstimmung zueinander und bildeten einen eleganten Wirbel „wie kleine tanzende Tröpfchen“, sagte Liu, Doktorand in der Berkeley Lab Materials Sciences Division und Doktorand an der Beijing University of Chemical Technologie.

Irgendwie waren diese Tröpfchen permanent magnetisch geworden. “Wir konnten es fast nicht glauben”, sagte Russell. „Vor unserer Studie gingen die Leute immer davon aus, dass Permanentmagnete nur aus Festkörpern hergestellt werden können.“

Alle Magnete, egal wie groß oder klein, haben einen Nordpol und einen Südpol. Entgegengesetzte Pole ziehen sich an, während sich dieselben Pole abstoßen.

Durch magnetometrische Messungen stellten die Wissenschaftler fest, dass beim Anlegen eines Magnetfelds durch ein Tröpfchen alle Nord-Süd-Pole der Nanopartikel von den im Tröpfchen schwebenden 70 Milliarden Eisenoxid-Nanopartikeln bis zu den 1 Milliarde Nanopartikeln auf der Oberfläche des Tröpfchens reichen, antwortete unisono, genau wie ein fester Magnet.

Ausschlaggebend für diesen Befund waren die Eisenoxid-Nanopartikel, die sich an der Oberfläche des Tröpfchens festsetzen. Mit nur 8 Nanometern Abstand zwischen den Milliarden Nanopartikeln bildeten sie zusammen eine feste Oberfläche um jedes Flüssigkeitströpfchen.

Irgendwie übertragen die gestauten Nanopartikel auf der Oberfläche, wenn sie magnetisiert werden, diese magnetische Orientierung auf die Partikel, die im Kern herumschwimmen, und das gesamte Tröpfchen wird permanent magnetisch – genau wie ein Feststoff, erklärten Russell und Liu.

Die Forscher stellten außerdem fest, dass die magnetischen Eigenschaften des Tröpfchens auch dann erhalten blieben, wenn sie ein Tröpfchen in kleinere, dünnere Tröpfchen von der Größe eines menschlichen Haares aufteilten, fügte Russell hinzu.