Forscher drucken magnetische Tröpfchen

Wissenschaftlern aus dem Lawrence Berkeley National Laboratory gelang ein Forschungsdurchbruch. Mittels modifiziertem 3D-Drucker entwickelten sie einen echten permanenten Flüssigmagneten. Etwas, was bisher als absolut unmöglich galt. Das ebnet den Weg für zahlreiche Anwendungsgebiete.

Magneten haben unser Leben um ein Vielfaches bereichert. Angefangen bei der einfachen Magnetnadel, die auf einem Kompass die richtige Himmelsrichtung anzeigt bis hin zu komplexen Vermessungen des menschlichen Körpers durch Magnetresonanztomographie. All das verdanken wir der Wissenschaft der letzten Jahrhunderte. Eines veränderte sich während dieser Geschichte jedoch nicht: Alle Magneten bestehen aus festen Materialien. Bisher wurde von der Wissenschaft nämlich angenommen, dass nur feste Stoffe echte Dauermagneten sein können. Diese Regel scheint aber nun nicht mehr so eindeutig Gesetz zu sein.

Wissenschaftler aus dem Berkeley Lab in den Vereinigten Staaten von Amerika haben nämlich das Unmögliche möglich gemacht. Sie erzeugten mit einem 3D-Drucker einen flüssigen Dauermagneten. Zugrunde liegt diesem eine flüssige Mischung aus magnetischen Nanopartikeln, die sich wie winzige Stabmagnete verhalten. Eigentlich wie beim bereits bekannten Ferrofluid. Nur mit einem elementaren Unterschied: Die neue magnetische Flüssigkeit behält ihren Magnetismus auch ohne äußeres Magnetfeld bei.

Grundlage für den flüssigen Dauermagneten

Der Materialwissenschaftler und Ingenieur Tom Russel, tätig an der Universität Massachusetts, und sein Team gingen der Frage nach, was getan werden muss, um temporäre Ferrofluide dauerhaft magnetisch zu machen. Das Ziel: Einen flüssigen Magneten zu schaffen, der die physikalischen Eigenschaften eines Feststoffmagneten besitzt.

Letztes Jahr entwickelte das Team eine Technik für den 3D-Druck von Flüssigkeiten und Strukturen. Dabei wurden zwei Stoffe verwendet. Zum einen Wasser, welches in einen Schlauch aus Silikonöl injiziert wurde und zum anderen ein Nanopartikel-Tensid, das eine elastische Schicht bildet und das Wasser im Wesentlichen an Ort und Stelle hält. Dieses Verfahren bildete die Grundlage für den flüssigen Dauermagneten.

Das Forschungsteam entschied sich für eine Nanopartikelsuspension. Mit dieser können Tröpfchen mit nur einem Millimeter Durchmesser gedruckt werden. Die enthaltenen Eisenoxid-Partikel drängen an die Oberfläche und bilden eine Schicht zwischen dem Wasser und der Suspension. Dadurch entsteht eine Grenzflächenstörung, die gerade bei Nanopartikeln kein unbekanntes Verhalten darstellt.

Im nächsten Schritt platzierten die Forscher eine Magnetspule neben die Tröpfchen. Dabei konnten sie das gleiche Verhalten wie beim herkömmlichen Ferrofluid beobachten. Doch als die Spule wieder entfernt wurde, passierte etwas anderes. Im Fall temporärer magnetischer Flüssigkeit würden sich die Nanopartikel asynchron zueinander verhalten. Bei der neuen Flüssigkeit hingegen, bewegten sich die Teilchen geordnet als Einheit. Das Ergebnis: Der Magnetismus blieb ihnen erhalten.

Sogar nach weiteren Untersuchungen richteten die Nanopartikel ihre Magnetpole in die gleiche Richtung aus, wenn das permanente Ferrofluid einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Wird dieses wieder entfernt, können die Oberflächenteilchen nicht mehr frei umher treiben, weil sie so eng aneinander anliegen und diesen Kurs beibehalten.

Flüssiger Dauermagnet als Phänomen

Weshalb sich die Partikel so verhalten, ist den Materialwissenschaftlern allerdings noch nicht ganz klar. Fest steht, dass das Forschungsteam einen flüssigen Dauermagneten entwickelt hat, der nicht nur die Eigenschaften eines Magneten aus Feststoff besitzt, sondern zudem eine x-beliebige Form annehmen kann, um sich an die Umgebung anzupassen. Laut den Wissenschaftlern verwandeln sie sich von einer Kugel in einen Zylinder, in eine haardünne Röhre oder sogar in die Form eines Oktopus – und das alles, ohne die magnetischen Eigenschaften zu verlieren.


Researchers print magnetic drops

Magnets have enriched our lives many times over. Starting with the simple magnetic needle, which indicates the correct direction on a compass, up to complex measurements of the human body by magnetic resonance tomography. We owe all this to the science of the last centuries. However, one thing has not changed during this history: all magnets are made of solid materials. Until now, science has assumed that only solid materials can be real permanent magnets. However, this rule no longer seems to be so clear.

Scientists from the Berkeley Lab in the United States of America have made the impossible possible. They created a liquid permanent magnet with a 3D printer. This is based on a liquid mixture of magnetic nanoparticles that behave like tiny rod magnets. Actually, this is the same as with the already known ferrofluid. Only with one elementary difference: the new magnetic fluid retains its magnetism even without an external magnetic field.

Basis for the liquid permanent magnet

Materials scientist and engineer Tom Russel, who works at the University of Massachusetts, and his team looked into what needs to be done to make temporary ferrofluids permanently magnetic. The goal was to create a liquid magnet with the physical properties of a solid magnet.

Last year, the team developed a technique for 3D printing of liquids and structures. Two materials were used. On the one hand, water was injected into a silicone oil hose and on the other hand, a nanoparticle surfactant that forms an elastic layer and essentially holds the water in place. This process formed the basis for the liquid permanent magnet.

The research team opted for a nanoparticle suspension. The suspension can be used to print droplets as small as one millimetre in diameter. The iron oxide particles in the droplets penetrate to the surface and form a layer between the water and the suspension. This results in an interfacial disturbance that is no unknown behavior, especially with nanoparticles.

In the next step, the researchers placed a magnetic coil next to the droplets. They were able to observe the same behavior as with conventional ferrofluid. But when the coil was removed, something else happened. In the case of temporary magnetic fluid, the nanoparticles would behave asynchronously to each other. With the new liquid, on the other hand, the particles would move in an orderly fashion as a unit. The result: magnetism was retained.

Even after further investigations, the nanoparticles aligned their magnetic poles in the same direction when the permanent ferrofluid was exposed to a magnetic field. If this is removed again, the surface particles can no longer float freely because they are so close to each other and maintain this course.

Liquid permanent magnet as phenomenon

However, it is not yet quite clear to materials scientists why the particles behave in this way. What is certain is that the research team has developed a liquid permanent magnet that not only has the properties of a magnet made of solid material, but can also take on any shape to adapt to the environment. According to the scientists, they transform from a sphere into a cylinder, into a hair-thin tube or even into the shape of an octopus – all without losing their magnetic properties.

Source: https://www.ingenieur.de

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