Spannender Durchbruch: Forscher haben erstmals eine eisenhaltige Flüssigkeit in einen echten Permanent-Magneten umgewandelt – etwas, das bislang als unmöglich galt. Der neue Flüssigmagnet ist auch dann noch magnetisch, wenn kein äußeres Magnetfeld anliegt. Dieser Durchbruch eröffnet ein ganz neues Forschungsfeld und könnte zahlreiche Anwendungen finden, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten.

Bisher schien die Sache klar: Nur Feststoffe können echte Dauermagneten sein – Materialien, die auch ohne äußeres Magnetfeld magnetisch reagieren. Erst ihre geordnete Struktur sorgt dafür, dass die einheitlich ausgerichteten Atomspins in ihrer Position bleiben. Anders ist dies bei eisenhaltigen Flüssigkeiten: Weil sich in solchen Ferrofluiden die Atome und Moleküle ungeordnet umherbewegen, behalten sie ihre Magnetisierung nur solange, wie ein äußeres Magnetfeld anliegt – so jedenfalls die gängige Lehrmeinung.

Tropfen mit Kruste aus Nanopartikeln

Doch es geht auch anders, wie nun Thomas Russell von der University of Massachusetts und sein Team belegen. Ihnen ist es erstmals gelungen, eine Flüssigkeit zu einem Permanentmagneten zu machen. „Wir haben uns gefragt, was wir tun könnten, damit ein Ferrofluid nicht nur temporär, sondern dauerhaft magnetisch wird“, erklärt Russell. „Das Fluid müsste sich dann wie ein Feststoffmagnet verhalten, aber trotzdem flüssig bleiben.“

Auf der Suche nach einer Lösung experimentierten die Forscher mit verschiedenen Lösungen von eisenoxidhaltigen Nanopartikeln. Solche Nanopartikel sind typischerweise nur paramagnetisch. Doch das änderte sich, als Russel und sein Team diese Teilchen in eine Emulsion aus einem Öl und einem flüssigen Polymer gaben. Wie sie beobachteten, bildeten sich in der Lösung winzige Tröpfchen, an deren Grenzschicht sich die Nanopartikel dicht an dicht anlagerten – wie eine dichte Kruste.

Magnetisierung bleibt

Das Überraschende jedoch: Als die Forscher ein Magnetfeld an diese Lösung anlegten und kurz darauf wieder entfernten, blieben die Tröpfchen mit der Partikelkruste magnetisch. „Wir konnten es fast nicht glauben“, sagt Russel. Die ursprünglich paramagnetischen Ferrofluid-Tröpfchen hatten sich in echte Ferromagnete umgewandelt. Selbst wenn die Tröpfchen verformt wurden, behielten die Nanopartikel in der Lösung ihre magnetische Ausrichtung dauerhaft bei, wie die Forscher feststellten.

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Wie aber ist dies möglich? Wie die Wissenschaftler herausfanden, spielt die Ansammlung der Nanopartikel an der Tropfen-Grenzfläche dafür eine entscheidende Rolle. Die eisenhaltigen Teilchen sind dort so eng zusammengedrängt, dass sie nicht mehr frei rotieren können. Dadurch bleibt ihre einmal aufgeprägte magnetische Ordnung erhalten, selbst wenn sich der Tropfen als Ganzes verformt. Erst wenn erneut ein Magnetfeld angelegt wird, ändert sich die magnetische Ausrichtung der Partikel wieder.

Neues Material – neue Anwendungen

„Damit haben wir ein neues Material erzeugt, das sowohl flüssig als auch magnetisch ist – das hat noch niemand zuvor beobachtet“, konstatiert Russel. Die ferromagnetischen Tröpfchen haben die Merkmale eines Fluids, aber die magnetischen Eigenschaften eines Feststoffs. Damit bildet diese Lösung einen flüssigen Permanent-Magnet. „Das öffnet die Tür zu einem ganz neuen Forschungsgebiet“, sagt Russell.

Mögliche Anwendungen wären zum Beispiel druckbare, flexibel verformbare Magneten oder Roboterflüssigkeiten, die sich mit Magnetfeldern steuern und kontrollieren lassen. Aber auch magnetische Schwämme oder elastische Magnetmaterialien könnte man vielleicht bald mithilfe dieser Technik herstellen. „Das ist ein Meilenstein für die Entwicklung magnetischer Materialien“, sagt Russel.

„Was als seltsame Beobachtung begann, ist damit zu einem ganz neuen Feld der Wissenschaft geworden“, ergänzt Erstautor Xubo Liu vom Lawrence Berkeley Laboratory. (Science, 2019; doi: 10.1126/science.aaw8719)

Quelle: DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory

19. Juli 2019

- Nadja Podbregar