Winzige, maßgeschneiderte Magnete - CeNIDE-Forscher publizieren in „Nature Communications“
Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II
Nanomagnete werden heutzutage vielerorts eingesetzt: in der Medizin genauso wie in der Datenspeicherung. Dazu müssen sie mal stark, mal schwach magnetisch sein. Wie man die winzigen Magnete mit ganz bestimmten Eigenschaften herstellt, haben Forscher vom Center for Nanointegration (CeNIDE) an der Universität Duisburg-Essen (UDE) soeben herausgefunden und ihre Ergebnisse veröffentlicht.
Nanomagnete, rund zehntausendmal kleiner als ein Blatt Papier dick ist, ermöglichen heute die fortschrittliche Datenspeicherung, dienen als Kontrastmittel bei der MRT-Untersuchung und werden für Hyperthermie-Behandlungen bei Krebspatienten eingesetzt. Dies sind nur einige Beispiele der Einsatzmöglichkeiten, doch machen sie bereits deutlich, dass bei so vielfältigen Anwendungen ebenso unterschiedliche Eigenschaften der Nanomagnete gefragt sind: Für die Datenspeicherung in Computern müssen die Nanomagnete zum Beispiel fest in eine Richtung ausgerichtet bleiben, um Daten für lange Zeit speichern zu können. Würden sie selbsttätig ihre Magnetisierungsrichtung ändern, ginge die gespeicherte Information verloren. Für die hyperthermische Behandlung von Krebspatienten wiederum braucht man Nanomagnete, die sich ganz leicht umpolen lassen. Für die Behandlung bringt man die winzigen Partikel direkt in den Tumor ein und ändert durch Magnetfelder von außen in schneller Geschwindigkeit ihre Magnetisierungsrichtung. Dadurch erzeugen die Nanomagnete Hitze, die die umliegenden Krebszellen lokal zerstört.
In Zusammenarbeit der Arbeitsgruppen von Experimentalphysiker Prof. Heiko Wende und dem Theoretischen Physiker Prof. Peter Entel wurden nun konkrete Regeln definiert, mit denen es möglich ist, schon bei der Herstellung der Nanomagnete deren Eigenschaften genau zu bestimmen. Dazu hat das Team um Prof. Wende die Nanopartikel mit unterschiedlichen Metallen ummantelt und anschließend deren Effekt auf die magnetischen Eigenschaften der innenliegenden Partikel gemessen. Um möglichst aussagekräftige, detaillierte Messwerte zu erhalten, haben die Forscher ein Messgerät etwas anderer Größenordnung eingesetzt: BESSY II vom Helmholtz-Zentrum Berlin beschleunigt Elektronen in einem 240 Meter langen Ringsystem auf beinahe Lichtgeschwindigkeit. Die dadurch erzeugten hochbrillanten Röntgenstrahlen lassen Rückschlüsse auf die magnetischen Eigenschaften der Probe zu. Dr. Carolin Antoniak hat sich so manche Nacht an den Schalttafeln des Großgeräts um die Ohren geschlagen: „Es hat sich aber definitiv gelohnt“, betont die Physikerin. „Nur hier konnten wir unsere Messungen so detailliert durchführen und zwischen unterschiedlichen Magnetisierungstypen unterscheiden.“ Parallel dazu hat Dr. Markus Gruner aus der Arbeitsgruppe von Prof. Entel den Einfluss der verschiedenen Ummantelungsmetalle theoretisch berechnet – und zwar für jedes einzelne Atom in einem Nanomagneten. Für diese komplizierten Rechnungen nutzte der Theoretische Physiker Europas größten akademischen Forschungsrechner JUGENE am Forschungszentrum Jülich, der bis zu eine Billiarde Rechenoperationen pro Sekunde ausführen kann. „Man steht in einer Halle neben 72 großen Schränken, die den Rechner beinhalten“, zeigt sich Gruner beeindruckt. „Wir mussten mehrere Wochen lang auf mehr als 1.000 Prozessoren gleichzeitig rechnen, bis wir Gewissheit hatten. So etwas geht nur auf JUGENE.“
Beide Ansätze – experimentell und theoretisch – ergänzen sich hier ideal: Die theoretische Berechnung ist zwar extrem genau, beruht jedoch auf Annahmen. Annahmen, die im Experiment bewiesen wurden. So ist es der Forscherkooperation nun möglich, vorauszusagen, mit welcher Metallummantelung welche Eigenschaften zu erreichen sind. Auch Charakteristika von bisher nicht hergestellten Arten von Nanomagneten können nun auf Grundlage der erhaltenen Daten zuverlässig berechnet werden. So ist es möglich, die Nanomagnete je nach Art der gewünschten Eigenschaften bereits in der Produktion maßzuschneidern. Eine ungemeine Erleichterung für Anwender jeder Art.
„Für die Zukunft haben wir uns vorgenommen, die Nanomagnete mit organischen Materialien zu umhüllen“, erklärt Wende. „Eventuell ist es dann möglich, die Eigenschaften nachträglich durch äußere Einflüsse wie zum Beispiel Licht zu modifizieren.“
Kontakt & Information:
CeNIDE – Center for NanointegrationDuisburg-Essen
Universität Duisburg-Essen
Frau Birte Vierjahn
Öffentlichkeitsarbeit
Gebäude LH
Forsthausweg 2
47057 Duisburg
Fon: +49.203.379.1456
Fax: +49.203.379.1895
E-Mail: birte.vierjahn@uni-due.de
www.cenide.de
Dr. Carolin Antoniak
Experimentalphysik - AG Wende
Universität Duisburg-Essen
Gebäude MD
Lotharstr. 1
47057 Duisburg
Fon: +49.203.379.2389
Fax: +49.203.379.3601
E-Mail: carolin.antoniak@uni-due.de
http://www.uni-due.de/physik/wende/
- Was die Zinkkonzentration in Zähnen verrätZähne sind Verbundstrukturen aus Mineralien und Proteinen, dabei besteht der Großteil des Zahns aus Dentin, einem knochenartigen, hochporösen Material. Diese Struktur macht Zähne sowohl stark als auch empfindlich. Neben Kalzium und Phosphat enthalten Zähne auch Spurenelemente wie Zink. Mit komplementären mikroskopischen Verfahren hat ein Team der Charité Berlin, der TU Berlin und des HZB die Verteilung von natürlichem Zink im Zahn ermittelt. Das Ergebnis: mit zunehmender Porosität des Dentins in Richtung Pulpa steigt die Zinkkonzentration um das 5- bis 10-fache. Diese Erkenntnis hilft, den Einfluss von zinkhaltigen Füllungen auf die Zahngesundheit besser zu verstehen und könnte Verbesserungen in der Zahnmedizin anstoßen.
- Faszinierendes Fundstück wird zu wertvoller WissensquelleDas Bayerische Landesamt für Denkmalpflege (BLfD) hat ein besonderes Fundstück aus der mittleren Bronzezeit nach Berlin geschickt, um es mit modernsten Methoden zerstörungsfrei zu untersuchen: Es handelt sich um ein mehr als 3400 Jahre altes Bronzeschwert, das 2023 im schwäbischen Nördlingen bei archäologischen Grabungen zutage trat. Die Expertinnen und Experten konnten herausfinden, wie Griff und Klinge miteinander verbunden sind und wie die seltenen und gut erhaltenen Verzierungen am Knauf angefertigt wurden – und sich so den Handwerkstechniken im Süddeutschland der Bronzezeit annähern. Zum Einsatz kamen eine 3D-Computertomographie und Röntgendiffraktion zur Eigenspannungsanalyse am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sowie die Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie bei einem von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) betreuten Strahlrohr an BESSY II.
- Topologische Überraschungen beim Element KobaltDas Element Kobalt gilt als typischer Ferromagnet ohne weitere Geheimnisse. Ein internationales Team unter der Leitung von Dr. Jaime Sánchez-Barriga (HZB) hat nun jedoch komplexe topologische Merkmale in der elektronischen Struktur von Kobalt entdeckt. Spin-aufgelöste Messungen der Bandstruktur (Spin-ARPES) an BESSY II zeigten verschränkte Energiebänder, die sich selbst bei Raumtemperatur entlang ausgedehnter Pfade in bestimmten kristallographischen Richtungen kreuzen. Dadurch kann Kobalt als hochgradig abstimmbare und unerwartet reichhaltige topologische Plattform verstanden werden. Dies eröffnet Perspektiven, um magnetische topologische Zustände in Kobalt für künftige Informationstechnologien zu nutzen.