Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Chemie steuert Magnetismus

09.10.2015

Magnete sind aus dem Physikunterricht gut bekannt, im Fach Chemie werden sie dagegen nicht behandelt. Und doch ist es ein chemisches Verfahren, mit dem es Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gelungen ist, die magnetischen Eigenschaften von Ferromagneten zu steuern. Während physikalische Verfahren zwar die Ausrichtung des Magnetfeldes beeinflussen können, steuert hier das chemische Verfahren den Magnetismus des Materials selbst. Das genutzte Prinzip ist dabei dem Konzept des Lithium-Ionen-Akkus ähnlich. (DOI: 10.002/adma-201305932)

Über physikalische Effekte gibt es durchaus Möglichkeiten, Magnete zu beeinflussen. Standard-Methoden nutzen etwa eine elektromagnetische Spule, die durch Strom ein Magnetfeld erzeugt, jedoch verbraucht sie durchgehend Energie. Eine andere Möglichkeit ist, einen Ferromagneten zu polarisieren, also die magnetischen Strukturen in dem Material parallel auszurichten, so dass ein Gesamt-Magnetfeld entsteht.


Mit der Ein- und Auslagerung von Lithium-Ionen in bestimmte Magneten lässt sich deren Magnetstärke gezielt steuern.

(Grafik: KIT/Wiley-VCH)

Dies benötigt zwar zum Halten des Magnetfeldes keine Energie, es ist jedoch permanent und lässt sich nur mit Aufwand aufheben. Eine andere Option ist die magnetoelektrische Kopplung, bei der ein elektrisches Feld Magnetismus induziert. Allerdings greift diese Methode häufig nur an der obersten Atomschicht des Kristallgitters, die Änderung des Magnetfeldes ist also minimal.

Das nun am KIT entwickelte chemische Verfahren zur Kontrolle des Magnetismus bietet einen neuen Ansatz, der über die zuvor beschriebenen Konzepte hinausgeht: Der Vorgang beeinflusst das gesamte Material, nicht nur die Oberfläche, und ist dabei reversibel, kann also rückgängig gemacht werden.

Zusätzlich – und das ist die wichtigste Innovation dieses Verfahrens – ist der jeweilige magnetische Zustand des Materials (magnetisch / nicht magnetisch) nicht volatil. Das heißt, der Zustand bleibt, im Gegensatz zu einer elektromagnetischen Spule, auch ohne Stromzufuhr und damit ohne kontinuierlichen Energieverbrauch aufrechterhalten.

„Tausendfache Lade- und Entladezyklen von Lithium-Ionen Akkus, wie sie etwa in Handys genutzt werden, zeigen, dass elektrochemische Vorgänge durchaus reversibel sein können. Dies brachte uns auf die Idee, ähnliche Strukturen wie Lithium-Ionen-Akkus zu erforschen“, sagt Subho Dasgupta vom Institut für Nanotechnologie des KIT. Beim Laden und Entladen eines Lithium-Ionen Akkus wandern die Ionen jeweils vom einen zum anderen Akku-Pol und lagern sich dabei in die Elektroden ein.

Die Wissenschaftler um Dasgupta haben nun einen Lithium-Ionen-Akku erstellt, bei dem eine Elektrode aus Maghemit, einem ferromagnetischen Eisenoxid (γ-Fe2O3), besteht und die andere aus reinem Lithium. Experimente zeigten, dass die Lithium-Ionen-Einlagerung in Maghemit dessen Magnetstärke reduziert, auch bei Raumtemperatur.

Durch die gezielte Steuerung der Lithium-Ionen, also durch Laden und Entladen des Akkus, lässt sich somit die Magnetfeldstärke des Maghemits kontrollieren. Dieser Effekt ist, genau wie bei normalen Lithium-Ionen-Akkus, wiederholbar.

Bei den vorgestellten Versuchen erreichten die Forscher eine Änderung der Magnetstärke um bis zu 30 Prozent. Das langfristige Ziel ist jedoch, den Magneten komplett an- und ausschalten zu können. Damit hoffen die Wissenschaftler ein Verfahren zu finden, mit dem sich ein Magnetschalter realisieren lässt, der vom Prinzip her wie ein elektrischer Transistor funktioniert: Während ein elektrischer Transistor mit einem Steuerstrom einen kontrollierten Stromkreislauf an- oder ausschaltet, schaltet der Magnetschalter mit dem Steuerstrom einen Ferromagneten an oder aus.

Das Verfahren kann prinzipiell alle Anwendungen ersetzen, in denen niederfrequente Elektromagneten zum Einsatz kommen und ist dabei deutlich energieeffizienter. Die Wissenschaftler des KIT haben mit ihrer Forschung vor allem winzige magnetische Schalter im Blick, die etwa bei (Mikro-) Robotern oder in der Mikrofluidik Anwendung finden.

Veröffentlichung und vollständiges Grafik-Copyright:
Dasgupta, S.; Das, B.; Knapp, M., Brand, Richard. A.; Ehrenberg, H.; Kruk, R. and Hahn, H. (2014), Intercalation-Driven Reversible Control of Magnetism in Bulk Ferromagnets. Adv. Mater., 26: 4639–4644. doi:10.1002/adma.201305932
Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduced with permission

Online-Artikel (zugangsbeschränkt): http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201305932/full

Weiterer Kontakt:
Simon Scheuerle, Abteilung Presse, Tel.: +49 721 608-48761, Fax: +49 721 608-43658, E-Mail: simon.scheuerle@kit.edu

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) vereint als selbständige Körperschaft des öffentlichen Rechts die Aufgaben einer Universität des Landes Baden-Württemberg und eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft. Seine drei Kernaufgaben Forschung, Lehre und Innovation verbindet das KIT zu einer Mission. Mit rund 9 400 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie 24 500 Studierenden ist das KIT eine der großen natur- und ingenieurwissenschaftlichen Forschungs- und Lehreinrichtungen Europas.

Diese Presseinformation ist im Internet abrufbar unter: http://www.kit.edu

Weitere Informationen:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201305932/full

Monika Landgraf | Karlsruher Institut für Technologie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neue Arten in der Nordsee-Kita
05.12.2016 | Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen

nachricht Alter beeinflusst den Mikronährstoffgehalt im Blut
05.12.2016 | Deutsches Institut für Ernährungsforschung Potsdam-Rehbrücke

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden «Krebssignatur» in Proteinen

05.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Wichtiger Prozess für Wolkenbildung aus Gasen entschlüsselt

05.12.2016 | Geowissenschaften

Frühwarnsignale für Seen halten nicht, was sie versprechen

05.12.2016 | Ökologie Umwelt- Naturschutz