Forschung

Variable Struktur magnetischer Nanoteilchen

28.07.2020 - In einem externen Magnetfeld vergrößert sich das Kernvolumen deutlich.

Werden ultrafeine magne­tische Partikel einem von außen einwirkenden Magnetfeld ausgesetzt, wächst ihr magnetischer Kern in bisher unerwarteter Weise. Das hat eine Forschergruppe an der Universität Köln, des Forschungs­zentrums Jülich und des Instituts Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich, durch Untersuchungen mit Neutronen­streuung gezeigt. 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. Magnetische Nano­teilchen beispielsweise aus Eisen, Nickel oder Kobalt verhalten sich wie kleine Magnete. Man findet sie natürlich gewachsen in Gesteinen, aber auch in einigen Lebewesen, wie Bakterien, wo die Minimagnete bei der Orientierung der Bewegung eine Rolle spielen. Von technologischer Bedeutung sind sie für magnetische Flüssig­keiten, 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 man 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 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.

Sabrina Disch vom Department Chemie und die 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 zwanzig Prozent 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 Dominika Zákutná.

Dieser weiterhin ungeordnete und nicht-magnetische Bereich macht im Experiment immerhin zwölf Prozent 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 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. Mit Hilfe der Neutronen­streuung konnten hier die Magne­tisierung im Kern und Oberflächen­bereich eines Nanoteilchens jeweils gleichzeitig, aber getrennt voneinander untersucht werden.

U. Köln / JOL

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