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Selbstorganisierendes, selbstheilendes Material aus magnetischen Kreiseln

Jülich, 23. März 2020 – Intelligente Werkstoffe und aktive Materialien können ihre Eigenschaften selbstständig an verändernde Umgebungsbedingungen anpassen und besitzen dynamisch steuerbare Eigenschaften, was bereits zu vielfältigen Anwendungen geführt hat. Chromogene Materialien zum Beispiel ermöglichen Fensterscheiben, die sich in Abhängigkeit vom Lichteinfall selbst verdunkeln, Stoßdämpfer können mit Hilfe von magnetorheologischen Flüssigkeiten ihre Dämpfungseigenschaften an die jeweiligen Straßenbedingungen anpassen und Piezoelektrika, die durch elektrische Spannung verformbar sind, lassen Roboter mechanische Bewegungen durchführen. Ein internationales Team von Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich und des US-amerikanischen Forschungsinstituts Argonne National Laboratory hat nun ein neues aktives System aus magnetischen Mikropartikeln entwickelt. Es reagiert auf magnetische Reize mit Selbstorganisation und besitzt weitere potentiell nützliche Eigenschaften, wie Selbstheilungskraft und Transportfähigkeit.

Die Forscher untersuchten magnetische Nickel-Mikropartikel, die sich auf einer Wasseroberfläche bewegen. Die weniger als einen Zehntel Millimeter großen Teilchen versetzten sie mit einem Magnetfeld, das in der Ebene der Wasseroberfläche rotiert, in Kreiselbewegungen. Ihre Reaktion untersuchten sie in Abhängigkeit verschiedener Parameter, etwa der Drehfrequenz oder der Teilchen-Konzentration.

„Das System zeigt Eigenschaften, die – anders als bei bisher untersuchten Systemen – einzig auf der Rotation der Teilchen beruhen und sich mit Hilfe des Magnetfeldes von außen steuern lassen. Das macht sie sowohl für die Grundlagenforschung als auch für Anwendungen interessant“, berichtet Prof. Gerhard Gompper, Direktor am Institut für Biologische Informationsprozesse sowie am Institute for Advanced Simulation, der mit Kollegen in Jülich die experimentellen Untersuchungen in den USA durch theoretische Simulationen flankierte. Damit konnten die Forscher verschiedene Beobachtungen erklären und Einblick in mikroskopische Mechanismen gewinnen.

So lagern sich je nach Frequenz des Magnetfelds die Nickelteilchen zu kürzeren oder längeren rotierenden Ketten zusammen. Die Ketten ordnen sich zudem selbstständig und dynamisch an der Grenzfläche von Wasser und Luft in einer kristallähnlichen Struktur und stellen diese Ordnung auch nach einer Störung wieder her. Dies testeten die Forscher, indem sie ein größeres Kügelchen in ihre Anordnung fallen ließen. Der Selbstheilungsprozess benötigt nur wenige Sekunden.

Anders als vorherige experimentelle Designs, bei denen das Magnetfeld oszilliert, ermöglichte der von den Forschern verwendete Versuchsaufbau, die Teilchen synchron zu rotieren, was zu einer durch die Flüssigkeitsrotation vermittelten Abstoßung zwischen den Ketten führt und damit die kristallähnliche Anordnung erst ermöglicht.

Bei zusätzlichen Versuchen wurden den Experimenten und Simulationen Goldpartikel hinzugegeben, die nicht magnetisch sind und nicht vom Magnetfeld beeinflusst werden. So konnten die Forscher beobachten, dass solche Teilchen durch das System aktiv transportiert werden können und sich der Transport von außen steuern lässt. Diskrepanzen zwischen den experimentellen und theoretischen Transporteigenschaft deuten auf ein komplexes Wechselspiel zwischen den rotierenden Aggregaten und der Flüssigkeit hin, welches noch weiterer untersucht werden muss.

Bild- und Filmmaterial:

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Im experimentellen Video sind die rotierenden Ketten als dunkle Stäbchen zu sehen. Die verschiedenen Ansichten zeigen, wie die Ketten das umgebende Wasser in Bewegung versetzen (links), die dadurch entstehenden Wasserwirbel (Mitte) und die zugehörigen Strömungslinien (rechts).

Copyright: Argonne National Laboratory. Video veröffentlicht in Han et al., Sci. Adv. 2020; 6 : eaaz8535 unter Creative Commons Attribution NonCommercial License 4.0 (CC BY-NC)

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Die Simulation zeigt, wie die rotierenden Ketten (rot) ein nichtmagnetisches Teilchen (blau) aktiv transportieren.
Quelle: Forschungszentrum Jülich, Video veröffentlicht in Han et al., Sci. Adv. 2020; 6 : eaaz8535 unter Creative Commons Attribution NonCommercial License 4.0 (CC BY-NC)

Originalpublikation:

Reconfigurable structure and tunable transport in synchronized active spinner materials;
K. Han, G. Kokot, S. Das, R. G. Winkler, G. Gompper, A. Snezhko;
Science Advances 20 Mar 2020: Vol. 6, no. 12, eaaz8535, DOI: 10.1126/sciadv.aaz8535

Weitere Informationen:

Webseite des Instituts für Biologische Informationsprozesse – Theoretische Physik der Lebenden Materie /Institute for Advanced Simulation –Theorie der Weichen Materie und Biophysik (IBI-5/IAS-2)

Website der Materials Science Division des Argonne National Laboratory

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Gerhard Gompper
Forschungszentrum Jülich
Theoretische Physik der Lebenden Materie/Theorie der Weichen Materie und Biophysik (IBI-5/IAS-2)
Tel: 02461 61-4012
E-Mail: g.gompper@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin
Forschungszentrum Jülich
Tel: 02461 61-6048
E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de


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