Starke Nanomagnete
Einsatz in Elektromotoren, in der Sensortechnik, für medizinische Geräte oder in Computern
Magnete haben auch in der Zwergenwelt der Nanotechnologie große Bedeutung. Bisher war es äußerst schwierig, leistungsfähige Dauermagnete in dieser Größenordnung herzustellen. Das könnte sich jetzt ändern, wie Forscher in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsjournals Nature ankündigen.
Ein neues magnetisches Material könnte die Lösung für den steigenden Bedarf an winzigen, aber trotzdem starken Dauermagneten für elektronische Geräte sein. Hao Zeng und Shouheng Sun vom IBM T. J. Watson Research Center, Jing Li und Zhong L. Wang vom Georgia Institute of Technology in Atlanta sowie J.P. Liu von der Louisiana Tech University veröffentlichten gerade unter dem Titel "Exchange-coupled nanocomposite magnets by nanoparticle self-assembly" ihre brandneuen Forschungsergebnisse. Die Wissenschaftler nutzten für die Produktion ihrer Magnete das Prinzip der nanotechnologischen Selbstorganisation (Vgl. Nano-Lego). Ein Nanometer entspricht einem Tausendstel eines Tausendstel eines Millimeters. Eine derartig winzige Struktur besteht nur aus einigen wenigen Atomen.
Für die Versuchs-Anordnung wurden sowohl Partikel einer Legierung aus Eisen und Platin (FePt) sowie von Eisenoxid (Fe3O4) vermischt und durch chemische Synthese sowie den Einsatz von Hitze (bei einer Temperatur von 650 Grad Celsius) dazu gebracht, sich selbst in neuen Strukturen zu organisieren. Das so entstehende Material nennt die Gruppe um Zeng Exchange-Coupled Nanocomposite (sinngemäß: im Austausch verbundenes Nanokomposit). Im Endeffekt handelt es sich um verschiedene und miteinander verschmolzene Formen von Eisenplatinlegierungen. Die Körnchen des magnetisch harten Materials (FePt), also andauernd magnetisierte Partikel, sind in einer Matrix eines magnetisch weichen Materials (Fe3Pt) eingebettet. Dieses so genannte weiche Material wird nur zeitweise magnetisch, wenn es dem Feld eines anderen Magneten ausgesetzt ist. Ohne diesen Einfluss ist es nicht magnetisch. Dieses Komposit hat durch seine Mischung bessere dauerhafte magnetische Eigenschaften als andere, konventionelle Materialien. Es kann zuverlässig, schnell und dauerhaft magnetisiert werden.
Das Energieprodukt (Produkt aus der jeweiligen Flussdichte und der Feldstärke im Inneren eines Magneten) des Nanokomposits beträgt 20,1 Mega Gauss-Oersted (MGOe), das liegt deutlich über den für eine Eisenplatinlegierung erwarteten Zahl von 13 MGOe.
Diese neuartigen Dauermagnete könnten in Elektromotoren, in der Sensortechnik, für medizinische Geräte oder in Computern eingesetzt werden.
In seinem begleitenden News&Views-Artikel in Nature ordnet David J. Sellmyer von der University of Nebraska die neuen Ergebnisse in den bisherigen Forschungsstand ein und stellt fest, dass das Nanokomposit noch einiges von der Traumzahl 144 MGOe entfernt ist, die nach theoretischen Berechnungen bei Zimmertemperatur in einer Eisenkupferlegierung erreicht werden könnte. Praktisch funktioniert das leider nicht, weil es ein weicher Magnet ist und die Magnetisierung schon bei relativ geringem Einfluss schnell wieder Null beträgt. Insgesamt zeigt sich Sellmyer begeistert von dem neuen Herstellungsverfahren und dem Nanokomposit:
Kontrollierte Strukturierung von Materialien auf der Ebene der Nanoskala kann einige der Eigenschaften verstärken und mehr Anwendungsmöglichkeiten eröffnen. Magnetische Materialien sind für Aufzeichnungsgeräte, Feldsensoren und Speichermedien nötig und diese Geräte werden immer kleiner, sensitiver und vielseitiger einsetzbar. Aber bisher wurde der Fortschritt in der Produktion von Dauermagneten von der Schwierigkeit begrenzt, neue Legierungen mit den notwendigen Eigenschaften zu finden. (...) Zeng und Kollegen zeigen nun, wie die Selbstorganisation einer Mischung von Nanopartikeln es ermöglicht, Materialien mit hervorragenden magnetischen Eigenschaften zu schaffen. (...) Die Arbeit von Zeng und seinem Team eröffnet eine aufregende Entwicklung und zeigt den Weg, um stärkere Magnete für zahlreiche praktische Anwendungen zu entwickelt.