Suchen

Fässer und Kegel aus Nanopartikeln

Magnetismus als Architekt

| Autor/ Redakteur: Dr. Christian Schneider* / Christian Lüttmann

Eine Maschine bauen ist technisch anspruchsvoll. Soll die Maschine mikroskopisch klein sein, wird es umso schwieriger. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben nun mit magnetischen Nanopartikeln winzige Strukturen hergestellt, die den Weg für den Bau von Mikromotoren ebnen könnten.

Firmen zum Thema

Mit einem magnetischen Feld können Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung die Struktur bestimmen, die von so genannten „superparamagnetischen Nanopartikeln“ gebildet wird.
Mit einem magnetischen Feld können Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung die Struktur bestimmen, die von so genannten „superparamagnetischen Nanopartikeln“ gebildet wird.
(Bild: MPI-P / CC BY-SA / CC BY-SA NaN)

Mainz – Nano- und Mikrotechnologie sind nicht nur für medizinische Anwendungen wie in der Wirkstofffreisetzung vielversprechende Kandidaten, sondern auch für die Entwicklung kleiner Roboter oder flexibler integrierter Sensoren. Solche Technologien könnten z.B. bei der Zielführung von Medikamenten im menschlichen Körper helfen und Wirkstoffe präzise zu einem Tumor leiten. Am Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) hat ein Forscherteam nun magnetische Mikropartikel hergestellt, deren Bewegung einfach durch Magnetfelder gesteuert werden kann und die gezielt zu verschiedenen Strukturen angeordnet werden können.

Magnetismus im Kleinen

Die magnetischen Eigenschaften eines Materials bestimmen, wie dieses Material auf das Vorhandensein eines Magnetfeldes reagiert. So ist Eisenoxid nicht nur Hauptbestandteil von Rost, sondern auch – in einer anderen kristallinen Form – von Flachmagneten, die an vielen Kühlschränken zu finden sind. Dass die eine Form magnetisch ist, die andere aber nicht, liegt an der unterschiedlichen Ausrichtung der kleinen magnetischen Bereiche im Inneren. Diese Magnetischen Domänen sind sozusagen Miniaturmagnete in dem Material. Nur wenn diese Minimagnete dieselbe Ausrichtung haben, bleibt das Eisenoxid als Magnet an der Kühlschranktür „kleben“.

Wenn ein Material in immer kleinere Partikel zerteilt wird, ergibt sich im Nanometerbereich noch ein besonderes Phänomen, nämlich dann, wenn die Partikelgröße der einer magnetischen Domäne entspricht: der Superparamagnetismus. Superparamagnetische Nanopartikel weisen nur in Gegenwart eines Magnetfeldes eine hohe Magnetisierung auf, sie behalten jedoch keine Magnetisierung, wenn das magnetische Feld abgeschaltet wird.

Dieser reversible Effekt könnte in zukünftigen medizinischen Anwendungen genutzt werden, bei denen Medikamente nichtinvasiv im Blut zu einem bestimmten Ort geleitet werden müssen. Wenn sich jedoch mehrere dieser Nanopartikel zu größeren Strukturen – so genannten Clustern – verbinden, verlieren sie ihre superparamagnetischen Eigenschaften. Darüber hinaus ist es eine technische Herausforderung, mit einem solchen Material beliebige Strukturformen herzustellen.

Abstandhalter sorgen für Ordnung

In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus der Gruppe von Dr. Héloïse Thérien-Aubin aus dem Arbeitskreis von Prof. Katharina Landfester, die auf die Herstellung von Nanopartikeln spezialisiert ist, und Wissenschaftlern aus dem Arbeitskreis von Prof. Hans-Jürgen Butt, die an wasserabweisenden Oberflächen arbeiten, wurde ein neues Verfahren zur Lösung dieser beiden Probleme entwickelt. Zunächst verkapselten die Forscher superparamagnetische Nanopartikel aus Eisenoxid in eine Schutzhülle aus Polystyrol, einem nicht-magnetischen Kunststoff, um ihren Superparamagnetismus auch bei der Bildung großer Aggregate zu erhalten. Die Schutzhülle fungiert in diesem Fall als Abstandshalter zwischen den Nanopartikeln.

Nach der Herstellung dieser Nanopartikel setzen die Forscher Tröpfchen bestehend aus einer Suspension von superparamagnetischen Nanopartikeln in Wasser auf eine Oberfläche, auf der wie auf einem Lotusblatt Wasser abperlt. Dadurch bilden die Tropfen eine kugelförmige Form. Nach dem Verdampfen des Wassers erhielten die Wissenschaftler eine dreidimensionale Struktur, die nur aus Nanopartikeln besteht.

Formgeber Magnetismus

Die Forscher konnten zeigen, dass sie die Größe und Form der resultierenden Struktur variieren können, wenn sie die Konzentration der Nanopartikel im Wasser verändern und einen externen Magneten verwenden, während sie das Wasser verdampfen. Die Veränderung der Konzentration der Nanopartikel führt zu unterschiedlichen Strukturgrößen von mehreren Mikrometern bis zu mehreren Millimetern. Eine Variation der Stärke des äußeren Magnetfeldes führt zu unterschiedlichen Formen, da die Nanopartikel mit dem Magneten und auch untereinander interagieren.

Mit diesem Präparationsverfahren erhielten die Forscher nicht-kugelförmige Strukturen wie tonnenförmig, kegelartig oder zweitürmig. „Dies ist ein großer Schritt in Richtung Einsatz von superparamagnetischen Mikrostrukturen in modernen Anwendungen, da unsere Methode sehr vielseitig einsetzbar sowie zeit- und materialeffizient ist“, sagt die Forscherin Thérien-Aubin.

Nanoroboter gegen Krebserkrankungen stellen Forscher der Arizona State University vor:

Originalpublikation: Minghan Hu, Hans-Jürgen Butt, Katharina Landfester, Markus B. Bannwarth, Sanghyuk Wooh and Héloïse Thérien-Aubin: Shaping the Assembly of Superparamagnetic Nanoparticles. ACS Nano, 2019, 13 (3), pp 3015–3022, February 25, 2019; DOI: 10.1021/acsnano.8b07783

* Dr. C. Schneider, Max-Planck-Institut für Polymerforschung, 55128 Mainz

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 45869468)