29.07.2019 – Revolutionäres Material könnte zu 3D-druckbaren Magnetflüssigkeitsgeräten für die Herstellung flexibler Elektronik oder zu künstlichen Zellen führen, die erkrankten Zellen zielgerichtete Arzneimitteltherapien zuführen.

Wissenschaftler des Berkeley Lab haben ein neues Material hergestellt, das 
sowohl flüssig als auch magnetisch ist und die Tür zu einem neuen Wissenschaftsgebiet
für magnetische weiche Materie öffnet. Ihre Erkenntnisse 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 
Umgebung anzupassen. (Video: Marilyn Chung / Berkeley Lab; Aufnahmen von Tröpfchen 
mit freundlicher Genehmigung von Xubo Liu und Tom Russell / Berkeley Lab)

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 wurden, 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 Umgebung anzupassen.

„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.“

In den letzten sieben Jahren konzentrierte sich Russell, der im Bereich Materialwissenschaften von Berkeley Lab ein Programm mit dem Titel Adaptive Grenzflächenbaugruppen zur Strukturierung von Flüssigkeiten leitet und die aktuelle Studie leitete, auf die Entwicklung einer neuen Klasse von Materialien – 3D-druckbare All-Liquid-Strukturen.

Anordnung von 1-Millimeter-Magnettröpfchen: Fluoreszierende grüne Tröpfchen sind paramagnetisch, ohne dass sich Nanopartikel an der Flüssigkeitsgrenzfläche festsetzen. rot sind paramagnetisch mit nichtmagnetischen Nanopartikeln, die an der Grenzfläche eingeklemmt sind; Braune Tröpfchen sind ferromagnetisch mit magnetischen Nanopartikeln, die sich an der Grenzfläche festsetzen. (Quelle: Xubo Liu et al./Berkeley Lab)

Russell und Xubo Liu, der Hauptautor der Studie, hatten die Idee, flüssige Strukturen aus Ferrofluiden zu bilden, bei denen es sich um Lösungen von Eisenoxidteilchen handelt, die bei Vorhandensein eines anderen Magneten stark magnetisch werden. „Wir haben uns gefragt:“ Wenn ein Ferrofluid vorübergehend magnetisch werden kann, was können wir tun, um es dauerhaft magnetisch zu machen, aber trotzdem wie eine Flüssigkeit aussieht und sich auch so anfühlt. „, Sagte Russell.

Um dies herauszufinden, verwendeten Russell und Liu 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 (Größe eines Antikörperproteins).

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 sehen aus wie die Wände, die einem kleinen Raum voll mit Menschen umgeben.

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

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

Permanent magnetisierte Eisenoxid-Nanopartikel ziehen sich perfekt zusammen. (Quelle: Xubo Liu et al./Berkeley Lab)

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.“

Endlose Überprüfungen,- es immer noch ein Magnet

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 fanden die Wissenschaftler heraus, dass alle Nord-Süd-Pole der Nanopartikel, wenn sie ein Magnetfeld durch ein Tröpfchen platzieren, von den 70 Milliarden Eisenoxid-Nanopartikeln, die im Tröpfchen herumschwimmen, bis zu 1 Milliarde Nanopartikeln auf der Oberfläche des Tröpfchens , 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.

Um die Eisenoxid-Nanopartikel permanent magnetisch zu machen, platzierten die Wissenschaftler die Tröpfchen in eine Lösung in einer Magnetspule. Die Magnetspule zog erwartungsgemäß die Eisenoxid-Nanopartikel auf sich zu. (Quelle: Xubo Liu et al. / Berkeley Lab

Russell bemerkte, dass unter den vielen erstaunlichen Eigenschaften der magnetischen Tröpfchen die Form verändert wird, um sich an die Umgebung anzupassen. Sie verwandeln sich von einer Kugel in einen Zylinder, in einen Pfannkuchen, in eine haardünne Röhre oder sogar in die Form eines Oktopus – und das alles, ohne ihre magnetischen Eigenschaften zu verlieren.

Die Tröpfchen können auch so eingestellt werden, dass sie zwischen einem magnetischen und einem nichtmagnetischen Modus wechseln. Und wenn ihr Magnetmodus eingeschaltet ist, können ihre Bewegungen durch einen externen Magneten ferngesteuert werden, fügte Russell hinzu.

Liu und Russell planen, die Forschung im Berkeley Lab und in anderen nationalen Labors fortzusetzen, um noch komplexere 3D-gedruckte magnetische Flüssigkeitsstrukturen zu entwickeln, beispielsweise eine flüssigkeitsgedruckte künstliche Zelle oder Miniaturrobotik, die sich wie ein winziger Propeller für die nicht-invasive, aber gezielte Abgabe von Flüssigkeiten von direkten medikamentöse Therapien für erkrankte Zellen.

„Was als merkwürdige Beobachtung begann, eröffnete ein neues Gebiet der Wissenschaft“, sagte Liu. „Davon träumen alle jungen Forscher und ich hatte das Glück, mit einer großen Gruppe von Wissenschaftlern zusammenzuarbeiten, die von Berkeley Labs von erstklassigen Benutzereinrichtungen unterstützt werden, um dies zu verwirklichen“, sagte Liu.

An der Studie beteiligten sich auch Forscher der UC Santa Cruz, der UC Berkeley, des WPI (Advanced Institute for Materials Research) (WPI-AIMR) an der Tohoku-Universität und der Beijing University of Chemical Technology.

Die Magnetometriemessungen wurden mit Unterstützung des Co-Autors der Berkeley Lab Materials Sciences Division, Peter Fischer, Senior Staff Scientist, durchgeführt. Frances Hellman, leitende Fakultätswissenschaftlerin und Professorin für Physik an der UC Berkeley; Robert Streubel, Postdoktorand; Noah Kent, Doktorandin und Doktorandin an der UC Santa Cruz; und Alejandro Ceballos, Doktorand und Forscher am Berkeley Lab an der UC Berkeley.

Weitere Koautoren sind die Wissenschaftler Paul Ashby und Brett Helms sowie die Postdoktoranden Yu Chai und Paul Kim von Berkeley Labs Molecular Foundry. Yufeng Jiang, Doktorand in der Abteilung Materialwissenschaften von Berkeley Lab; und Shaowei Shi und Dong Wang von der Beijing University of Chemical Technology.

Diese Arbeit wurde vom DOE Office of Science unterstützt und umfasste Forschungsarbeiten an der Molecular Foundry, einer auf nanoskalige Wissenschaft spezialisierten Nutzerfazilität des DOE Office of Science.

Das Lawrence Berkeley National Laboratory und seine Wissenschaftler wurden 1931 in der Überzeugung gegründet, dass die größten wissenschaftlichen Herausforderungen am besten von Teams gemeistert werden. Aktuell mit 13 Nobelpreisen ausgezeichnet. Heute entwickeln die Forscher des Berkeley Lab nachhaltige Energie- und Umweltlösungen, entwickeln nützliche neue Materialien, erweitern die Grenzen des Computerbereichs und erforschen die Geheimnisse des Lebens, der Materie und des Universums. Wissenschaftler aus der ganzen Welt verlassen sich auf die Einrichtungen des Labors für ihre eigene Entdeckungswissenschaft. Das Berkeley Lab ist ein nationales Mehrprogrammlabor, das von der University of California für das Office of Science des US-amerikanischen Energieministeriums verwaltet wird.

Das DOE Office of Science ist der größte Befürworter der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den USA und bemüht sich, einige der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen.

Quelle: Text und Bild - Lawrence Berkeley National Laboratory – Berkeley Lab
Übersetzung: Institut für seltene Erden und Metalle - Juli 2019

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