
Wissenschaftlern der Uni Bayreuth hat ein überraschendes Verhalten kleinster
magnetischer Partikel in einem Bereich von bis zu 10 Nanometern entdeckt.
Kleinste magnetische Partikel, die einen Durchmesser von zehn oder weniger
Nanometern haben, bilden überraschende Anordnungen in Ketten, Flächen oder
Würfeln. Über diese Entdeckung berichtet eine internationale Forschungsgruppe um
Prof. Dr. Ingo Rehberg, Prof. Dr. Birgit Weber und Prof. Dr. Stephan Förster an
der Universität Bayreuth im Wissenschaftsmagazin "Proceedings of the National
Academy of Sciences (PNAS)". Die neuen Erkenntnisse, an denen auch
Forschungsteams der Universität Duisburg-Essen und am Europäischen Synchrotron
(ESRF) in Grenoble beteiligt waren, haben große Relevanz für Anwendungen der
Magnetresonanztomographie (MRT) in der Medizin und für die Weiterentwicklung
magnetischer Speichermedien.
Spontane Selbstanordnung in stabilen Strukturen
Über das Ordnungsverhalten kleinster magnetischer Partikel in einem Bereich von
bis zu 10 Nanometern war bisher wenig bekannt. Die Wissenschaftler entdeckten
nun, dass würfelförmige Nanopartikel dieser Größenordnung in einem magnetischen
Feld hochgradig geordnete Strukturen ausbilden: Sie fügen sich spontan zu
stabilen Ketten, Flächen und größeren Würfeln zusammen. Zugleich konnte auch die
Ursache dieser Strukturbildung identifiziert werden. Wie die würfelförmigen
Nanopartikel sich in einem magnetischen Feld zusammenschließen, hängt wesentlich
davon ab, wie die Dipolmomente - also die magnetischen "Nordpole" und "Südpole"
- innerhalb der Würfel angeordnet sind. Diese Anordnung wiederum wird
insbesondere davon beeinflusst, wie sich die einzelnen würfelförmigen
Nanopartikel zusammensetzen. Mit diesen grundlegenden Erkenntnissen hat die
Forschergruppe einen Ansatz gefunden, die spontane Clusterbildung kleinster
magnetischer Partikel gezielt zu beeinflussen, ja sogar zu kontrollieren.
Neue Perspektiven für die medizinische Diagnostik
Für die Magnetresonanztomographie (MRT) sind die Forschungsergebnisse von großem
Interesse. Die MRT ist ein bildgebendes Verfahren, das in der medizinischen
Diagnostik zur Darstellung der Gewebe und Organe im Körper eingesetzt wird. Je
höher die Bildkontraste sind, desto klarer sind Gewebe- und Organstrukturen
erkennbar. Ursache für die Bildkontraste sind die unterschiedlichen
Relaxationszeiten verschiedener Gewerbearten. Es handelt sich hierbei um die
Zeiträume, in denen die künstlich erzeugte Magnetisierung in den Gewebearten
abgebaut wird. Schon länger ist bekannt, dass sich die Relaxationszeiten
mithilfe von Kontrastmitteln optimieren lassen. Denn solche Kontrastmittel
enthalten kleine Cluster magnetischer Nanopartikel; und die magnetischen
Wechselwirkungen zwischen den Nanopartikeln innerhalb eines Clusters bestimmen
die Relaxationszeit des jeweiligen Gewebes, in welches das Kontrastmittel
eingebracht wird.
"Mithilfe der jetzt untersuchten magnetischen Nanopartikel könnte die Anordnung
in Clustern viel besser als bisher kontrolliert werden", erklärt Prof. Förster.
"Damit bietet sich die Chance, die Relaxationszeiten so zu optimieren, dass sehr
starke Kontraste erzeugt und anatomische Strukturen viel klarer sichtbar
werden."
Hohe Speicherkapazitäten in magnetischen Speichermedien
Ein weiterer Anwendungsbereich sind magnetische Speichermedien. Für die Menge
der Daten, die darin gespeichert werden können, ist die Speicherdichte von
großer Bedeutung. Mit den jetzt untersuchten Nanopartikeln können die Abstände
zwischen den einzelnen Partikeln auf 7,2 Nanometer reduziert werden. Dies
entspricht einer Speicherdichte von 12,4 Terabyte auf einer Fläche von knapp 6,5
Quadratzentimetern. Um eine stabile Anordnung der Partikel und eine zuverlässige
Speicherkapazität zu erreichen, müssen die magnetischen Wechselwirkungen
zwischen den einzelnen Partikeln möglichst präzise gesteuert werden. Auch
hierfür bieten sich die kleinsten Nanopartikel an, deren überraschendes
Ordnungsverhalten jetzt erstmals aufgedeckt wurde.
Widerlegung bisheriger Annahmen
Die neuen Erkenntnisse widerlegen bisherige Annahmen, wie sie nicht zuletzt auch
in Lehrbüchern zur Physikalischen Chemie verbreitet wurden. Bislang ist man
davon ausgegangen, dass sich magnetische Dipolmomente stets in Reihen anordnen,
wobei sie in direkt benachbarten Reihen jeweils in entgegengesetzte Richtungen
weisen ("anti-ferromagnetische Anordnung"). Doch wie sich jetzt herausgestellt
hat, bilden die Dipolmomente in den magnetischen Nanopartikeln geschlossene
Kreise, die zu wesentlich höheren Bindungsenergien führen. Wie diese
kreisförmigen Strukturen verlaufen, hängt insbesondere von der Anzahl der
Partikel ab, aus denen sich die würfelförmigen Nanopartikel zusammensetzen. Und
folglich sehen auch die Ketten, Flächen und Würfel verschieden aus, die durch
diese Nanopartikel in magnetischen Feldern gebildet werden - je nachdem, wie
diese Nanopartikel im Inneren strukturiert sind.
Internationales Forschungsteam
Zusammen mit Prof. Dr. Ingo Rehberg (Lehrstuhl für Experimentalphysik V), Prof.
Dr. Birgit Weber (Anorganische Chemie II) und Prof. Dr. Stephan Förster
(Lehrstuhl Physikalische Chemie I) und deren Bayreuther Mitarbeiterinnen und
Mitarbeitern Dr. Sara Mehdizadeh Taheri, Maria Michaelis, Dr. Thomas Friedrich,
Dr. Beate Förster, Dr. Markus Drechsler und Dr. Sabine Rosenfeldt gehören auch
Dr. Florian M. Römer (Universität Duisburg-Essen) sowie Dr. Peter Bösecke und
Dr. Theyencheri Narayanan (Europäisches Synchrotron ESRF in Grenoble) zu der
internationalen Forschergruppe, die ihre Entdeckung in den PNAS präsentiert.
Forschungsförderung
Die Forschungsarbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im
Rahmen des Sonderforschungsbereichs 840 "Von partikulären Nanosystemen zur
Mesotechnologie" an der Universität Bayreuth gefördert.
Veröffentlichung:
Sara Mehdizadeh Taheri et al., Self-assembly of smallest magnetic particles,
in: Proceedings of the National Academy of Sciences (2015), vol. 112 no. 47,
pp. 14484-14489, DOI: 10.1073/pnas.1511443112
Die neuen Erkenntnisse wurden im renommierten Forschungsmagazin "Nature
Nanotechnology" als Research Highlight vorgestellt:
Owain Vaughan, Magnetic nanoparticles: Self-assembly at the limit,
in: Nature Nanotechnology (Dec 2015), doi:10.1038/nnano.2015.296
Kontakt für weitere Informationen:
Prof. Dr. Ingo Rehberg
Experimentalphysik V
Universität Bayreuth
95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 55-3344
E-Mail: ingo.rehberg@uni-bayreuth.de
Prof. Dr. Stephan Förster
Physikalische Chemie I
Universität Bayreuth
95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 55-2760
E.Mail (Sekr.): elisabeth.duengfelder@uni-bayreuth.de
Ansprechpartner für die Presse:
Christian Wißler M.A.
Stabsabteilung Presse, Marketing und Kommunikation
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Tel.: 0921 / 55-5356 // Fax: 0921 / 55-5325
E-Mail: mediendienst-forschung@uni-bayreuth.de
(Ende)
Aussender: Universität Bayreuth
Ansprechpartner: Joachim Lepple
Tel.: +49 (0)8131-505011
E-Mail: LepplePress@LepplePress.de
Website: www.uni-bayreuth.de
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