Funktionsmaterialien: Magnetische Nanopartikel und Hybridmaterialien

Weiche Materialien, die kontaktlos auf äußere Stimuli reagieren, haben großes Inte­resse bei der Herstellung funktionaler Materialien und intelligenter Systeme geweckt. Insbesondere die Hybridisierung von magnetischen Nanopartikeln (MNPs) mit isotro­pen und anisotropen, organischen Matrizes (z.B. technische Öle bzw. Flüssigkristalle (LCs)) eröffnet neue Perspektiven zur Entwicklung neuartiger magnetoresponsiver Materialien (z.B. Ferrofluide und Ferronematen) für verschiedene Anwendungen.

                                                          

Abbildung 1. Beispiele für magnetische Hybridmaterialien: Ferrofluid mit typischen Rosensweig-Instabilitäten und Magnetseparation von Katalysatoren.

Wir entwickeln Nanopartikel verschiedener anorganischer Magnetmaterialien (z.B. Ferrite mit Spinell- oder Magnetoplumbitstruktur, Magnetmetalle/Legierungen) mit ein­stellbarer Größe und Form (Kugeln, Stäbchen, Plättchen etc.) und maßgeschneiderten magnetischen Eigenschaften über Syntheseverfahren (z.B. Solvothermal-, Zerset­zungs-, Reduktions- bzw. Fällungsverfahren) in der Flüssigphase.

Abbildung 2. Synthese von Nanopartikeln in Flüssigphase: Autoklav zur Solvothermalsynthese, secheckige, Sc-dotierte BaFe12O19-Plättchen und typische Magnetisierungskurven geblockter ferromagnetischer, paramagnetischer bzw. superparamagnetischer Materialien.

Die Partikel werden anschließend in isotropen oder anisotropen, organischen Matrizes (z.B. technische Öle, LCs) stabilisiert. LCs zeichnen sich durch die Kombination der Fließfähigkeit gewöhnlicher Flüssigkeiten mit den für kristalline, anisotrope Materialien typischen Eigenschaften wie optische Doppelbrechung aus. Das Einbringen von anor­ganischen Magnetpartikeln in LC-Matrizes führt zu elastischen Verzerrungen des Direktors und/oder zur Störung des lokalen Ordnungsparameters in der Umgebung der magnetischen Nanopartikel und damit zu LC-vermittelten Wechselwirkungen zwischen den Partikeln. Daher ist die Tendenz der Magnetnanopartikel zu Agglomeration bzw. kompletter Phasenseparation in der anisotropen LC-Phase viel stärker ausgeprägt als in der entsprechenden isotropen Phase. Die gezielte Einstellung der Oberflächeneigenschaften der Magnetpartikel ist daher von großer Bedeutung, um stabile Ferronematen zu erhalten.

Abbildung 3. Die Stabilisierung der Magnetnanopartikel in LCs und die Herstellung von Ferronematen erfordern eine spezifische Oberflächenfunktionalisierung der Partikel mit Liganden. Diese bestehen gewöhnlich aus drei strukturellen Einheiten: einer mesogenen Einheit (1) und einer funktionellen Gruppe (2) zur Bindung an die Magnetpartikel, welche über einen langkettigen Linker (3) miteinander verbunden sind. Gezeigt ist ein Ferronemat in 4-Cyano-4‘-pentylbiphenyl (5CB) sowie die Modulation der optischen Eigenschaften eines Ferronematen im Magnetfeld.

Diese Hybridmaterialien (Ferronematen) zeigen interessante optomagnetische und optoelektronische Eigenschaften.

Ausgewählte Übersichtsartikel zum Thema:

  1. M. Hähsler, I. Appel, S. Behrens, Magnetic Hybrid Materials in Liquid Crystals, Phys. Sci. Rev. (2021), https://doi.org/10.1515/psr-2019-0090
  2. S. Behrens, I. Appel, Magnetic Nanocomposites, Curr. Op. Biotechnol. (2016), 39, 89 – 96
  3. S. Behrens, Preparation of Functional Magnetic Nanocomposites and Hybrid Materials: Recent Progress and Future Directions, Nanoscale (2011), 3, 877 – 892

 

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