Magnetische Nanoteilchen ändern in einem Magnetfeld ihre magnetische Struktur

Der magnetisch geordnete Kern in Ferrit Nanoteilchen wächst unter Einfluß eines magnetischen Feldes. Ohne angelegtes magnetisches Feld entspricht das magnetisch geordnete Teilchenvolumen (rot) dem strukturell geordneten Bereich des Teilchens (grün). Im magnetischen Feld werden ursprünglich ungeordnete oberflächennahe Spins zunehmend mit dem magnetischen Kern ausgerichtet. (Bildrechte: Universität zu Köln)

Werden ultrafeine magnetische Partikel einem von außen einwirkenden Magnetfeld ausgesetzt, wächst ihr magnetischer Kern in bisher unerwarteter Weise. Das hat ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität zu Köln, des Forschungszentrums Jülich und des Instituts Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich, durch Untersuchungen mit Neutronenstreuung gezeigt.

Die Studie „Field-Dependence of Magnetic Disorder in Nanoparticles“ wurde in der Zeitschrift „Physical Review X“ veröffentlicht.

Die Studie ermöglicht ein genaueres Verständnis von Struktur und Verhalten der magnetischen Nanoteilchen in einem Magnetfeld, was für zahlreiche Anwendungen von Bedeutung ist. So können magnetische Nanoteilchen zum Beispiel gezielt an bestimmte Stellen des menschlichen Körpers gesteuert und dort für eine Wärmetherapie in der Krebsbehandlung eingesetzt werden. Magnetische Nanoteilchen werden zudem in chemischen Prozessen als Katalysator eingesetzt und spielen eine Rolle für die Entwicklung neuer Batterietechniken.

Nanoteilchen sind natürlich entstandene oder synthetisch hergestellte Teilchen mit einer Größe von 1 bis 100 Nanometern. Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters. Die Teilchen bestehen aus mehreren tausend Atomen und sind etwas kleiner als Bakterien. Nanoteilchen besitzen im Vergleich zu Festkörpern und größeren Partikeln spezifische chemische und physikalische Eigenschaften, so dass aus ihnen völlig neuartige Materialien hergestellt werden können.

Magnetische Nanoteilchen bestehen aus einem magnetischen Material, das beispielsweise Eisen, Nickel oder Kobalt enthält. Sind die Teilchen klein genug, verhalten sie sich wie kleine Magnete, die einen Nord- und einen Südpol aufweisen und sich in jede Richtung drehen können. Kleine magnetische Partikel findet man natürlich gewachsen in Gesteinen, aber auch in einigen Lebewesen, wie Bakterien, wo die Minimagnete bei der Orientierung der Bewegung eine Rolle spielen (Magnetotaxis).

Von technologischer Bedeutung sind sie für magnetische Flüssigkeiten (Ferrofluide), Permanentmagnete, Magnetspeichermedien oder biomedizinische Anwendungen.
Der innere Aufbau eines magnetischen Nanoteilchens wird dabei oft mit einem einfachen, statischen Modell beschrieben. Nach diesem Modell sind magnetische Nanoteilchen aus einem magnetischen Kern und einer nicht oder nur gering magnetisierten Oberfläche aufgebaut.

Bisher ging die Wissenschaft davon aus, dass Magnetismus in einem Nanoteilchen im Wesentlichen nur auf diesen Kernbereich beschränkt ist, da hier eine gewisse Ordnung der Atome besteht, so dass die magnetischen Momente oder die Spins, also die Eigendrehimpulse der Elektronen, regelmäßig ausgerichtet sein können.

Im strukturell ungeordneten Oberflächenbereich des Nanoteilchens sind die Spins demgegenüber wahllos ausgerichtet. Es kann daher dort keine Ordnung und somit kein Magnetismus entstehen.

Dr. Sabrina Disch vom Department Chemie der Universität zu Köln und die Kolleginnen und Kollegen ihres Forschungsteams haben nun mittels Neutronenstreuung an Kobaltferrit-Nanoteilchen gezeigt, dass sich die Struktur magnetischer Nanoteilchen im Magnetfeld verändert. Im Experiment vergrößerte sich das magnetische Kernvolumen um bis zu 20% bei Anlegen eines äußeren magnetischen Feldes.

Gleichzeitig verringerte sich die Dicke des ungeordneten Oberflächenbereichs von 0,7 Nanometer (bei 11 Millitesla) auf 0,28 Nanometer (bei 1,2 Tesla).
„Durch das angelegte Magnetfeld wird ein Teil der zuvor ungeordneten magnetischen Momente im Oberflächenbereich vergleichbar zur Magnetisierung im Kernbereich ausgerichtet und so in eine Ordnung gebracht.

Es verbleibt allerdings an der Oberfläche ein Restbereich mit unterschiedlich ausgerichteten Spins, der durch das angelegte Magnetfeld nicht geordnet werden kann“, so Dr. Dominika Zákutná, die als ehemalige Doktorandin in der Arbeitsgruppe von Dr. Disch einen Teil ihrer Arbeit am Institut Laue-Langevin in Grenoble durchgeführt hat.

Dieser weiterhin ungeordnete und nicht-magnetische Bereich macht im Experiment immerhin 12% des Volumens des Nanoteilchens selbst im höchsten magnetischen Feld aus. Insgesamt lassen die Untersuchungen den Schluss zu, dass die Größe des magnetischen Partikelkerns von dem Ausmaß der Unordnung bei den Spins in der Partikeloberfläche beeinflusst wird.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass das bisher verbreitete statische Erklärungsmodell für magnetische Nanoteilchen nicht ausreichend ist und um eine vom magnetischen Feld abhängige Komponente erweitert werden muss, die von der strukturellen Unordnung bestimmt wird “, sagt Dr. Disch.

Die internationale Forschungsgruppe hat für ihre Experimente Neutronenstreuinstrumente des Institut Laue-Langevin in Grenoble sowie des Jülich Centre for Neutron Scattering am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching genutzt. Neutronenstreuung findet breite Anwendung in der Wissenschaft in der Bestimmung struktureller und dynamischer Eigenschaften von Materialien.

Mit Hilfe von Neutronenstreuung konnten hier die Magnetisierung im Kern und Oberflächenbereich eines Nanoteilchens jeweils gleichzeitig, aber getrennt voneinander untersucht werden.

Inhaltlicher Kontakt:
Dr. Sabrina Disch
Department Chemie
+49 221 470-7336
sabrina.disch@uni-koeln.de

Presse und Kommunikation:
Mathias Martin
+49 221 470-1705
m.martin@verw.uni-koeln.de

Publikation:
„Field-Dependence of Magnetic Disorder in Nanoparticles“,
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.031019

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