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Ferromagnetische Tropfen : Eine Flüssigkeit wird zum Dauermagneten

Eine ferromagnetische Kruste aus Eisenoxidpartikeln verwandelt diese Öltropfen in Dauermagneten Bild: Thomas Russel, University of Massachusetts

Was kaum denkbar war, macht die Nanotechnik jetzt möglich. Eisenoxid-Partikeln verwandeln eine Flüssigkeit in einen Ferromagneten. Die Magnetisierung bleibt auch ohne äußeres Magnetfeld bestehen.

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          Ein Dauermagnet ist sofort entlarvt, sobald sich eisenhaltige Gegenstände wie Nägel oder Büroklammern in seiner Nähe befinden. Hervorgerufen wird die Anziehungskraft von der inneren ferromagnetischen Struktur des Materials. Es existieren viele kleine Bereiche, sogenannte Domänen, in denen die magnetischen Momente der Atome parallel zueinander orientiert sind. Ferromagneten bestehen typischerweise aus Eisen, Kobalt oder Nickel und sind Festkörper.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Flüssigkeiten mit ferromagnetische Eigenschaften, schienen kaum möglich. Denn die notwendige hohe Ordnung der magnetischen Momente, die noch dazu möglichst lange anhalten soll, kann hier kaum aufrecht erhalten werden, so dachte man jedenfalls bislang. Nun haben Materialforscher von der University of Massachusetts in Amherst das scheinbar Unmögliche vollbracht und winzige Öltropfen hergestellt, die sich wie flüssige Ferromagnete verhalten.

          Seit langem kennt man sogenannte Ferrofluide. Dabei handelt es sich um Suspensionen aus magnetischen Partikeln. Weil die magnetischen Kräfte zwischen den Teilchen äußerst schwach sind, tritt keine strenge ferromagnetische Ordnung auf. Ferrofluide reagieren deshalb nur kurzzeitig auf ein äußeres Magnetfeld. Flüssigkeiten, die selbst zum Magneten werden, kannte man bislang nur bei extrem tiefen Temperaturen von supraflüssigem Helium und heißen Metallschmelzen. Flüssigmagneten, die bei Raumtemperatur funktionieren, wären nicht nur für die Grundlagenforschung interessant, sondern auch für viele Anwendungen, etwa für spezielle Vakuumdichtungen, Lautsprecher, neuartige Displays und Computer-Festplatten oder für elastische Aktuatoren in der Robotik.

          Tropfen mit ferromagnetischer Hülle

          Vor fast fünfzig Jahren hatten der Nobelpreisträger Pierre-Gilles de Gennes und seine Kollegin Françoise Brochard-Wyart eine Idee, wie sich eine ferromagnetische Flüssigkeit verwirklichen ließe. Sie sollte aus magnetischen Partikeln bestehen, die in einem Flüssigkristall schwimmen, wie man ihn für LCDs nutzt. Die stäbchenförmigen Moleküle des Flüssigkristalls würden aufgrund ihrer hohen räumlichen Ordnung auch den Nanomagneten eine Vorzugsrichtung aufzwingen. Auf diese Weise entstünde schließlich ein flüssiger Ferromagnet, so die beiden Theoretiker.

          Eine Magnetspule magnetisiert einen eisenoxidhaltigen Öltropfen..

          Dass es auch ohne Flüssigkristalle geht, eine Flüssigkeit in einen Permanentmagneten zu verwandeln, haben nun Thomas Russel und Xubo Liu gezeigt. Die Forscher verwenden ein Öl, das sie mit unzähligen Eisenoxidpartikeln vermischten. Üblicherweise sind Eisenoxidteilchen paramagnetisch. Sie reagieren zwar auf ein äußeres Magnetfeld. Die magnetische Wirkung verschwindet aber sofort, wenn man den Magneten entfernt.

          Das änderte sich, als die Forscher zu ihrer öligen Lösung ein Tensid hinzu gaben. Wie sie unter einem Mikroskop beobachten konnten, bildeten sich Millimeter große Tröpfchen, an deren innerer Oberfläche sich die Nanopartikeln angesammelt hatten und eine Art Kruste formten. Um die Tröpfchen zu magnetisieren, plazierten die Forscher inmitten der Flüssigkeit eine Magnetspule. Als sie die Spule wieder entfernten, erlebten Russel und seine Kollegen eine Überraschung. Die Tropfen begannen umeinander zu kreisen und sich gegenseitig anzuziehen. Die flüssigen Gebilde hatten sich offenbar in winzige Ferromagnete verwandelt. Daran änderte sich auch nichts, als die Tröpfchen deformiert wurden.

          Dass es sich tatsächlich um flüssige Ferromagnete handelte, die in der Lösung umhertanzten, zeigte sich, als die Forscher das Feld der Magnetspule schrittweise erhöhten und die Magnetisierung der Tröpfchen bestimmten. Magnetfeld und Magnetisierung folgten einer für Ferromagneten typischen Hysteresekurve, berichten Russel und seine Kollegen in der Zeitschrift „Science“.

          Die Ursache für das magnetische Verhalten der Tröpfchen sind, so die Forscher, die winzigen Eisenoxidpartikeln. Isoliert betrachtet, verhalten sie sich zwar paramagnetisch. Dicht gedrängt an der Tröpfchenoberfläche ist ihre Bewegungsfreiheit aber derart eingeschränkt, dass die ihnen einmal aufgeprägte magnetische Ordnung erhalten bleibt, selbst wenn die Tröpfchen stark verformt werden. Erst wenn man abermals einen Magneten in die Nähe bringt, richten sich die magnetischen Partikeln im Kollektiv neu aus.

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