Flüssiger Dauermagnet 29.07.2019, 12:14 Uhr

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.

abstrakte Bildung auf weissem Hintergrund

Ein Flüssigmagnet direkt aus dem 3D-Drucker.

Foto: panthermedia.net/yurok.a

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.

Außerdem können die Tröpfchen auch so eingestellt werden, dass sie zwischen magnetischem und nicht magnetischem Modus wechseln können. Ist der Magnetismus aktiv, können sie sogar von einem anderen Magneten ferngesteuert werden.

Meilenstein eröffnet neue Forschungsfelder

Dieser Durchbruch liefert laut Aussagen des Teams zufolge eine elementare Vorlage für die Erschließung neuer Forschungsfelder. Der flüssige Dauermagnet könnte vor allem in den Bereichen Robotik und Medizin gute Dienste leisten. Die Vorstellung reicht von künstlichen Zellen, die gezielt der Krebstherapie dienen bis hin zu Robotern, die ihre Form jederzeit ändern oder ihrer Umgebung anpassen können.

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Von Silvia Hühn

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