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Materialwissenschaft: Selbstorganisierende "Gänseblümchen" in Mikroformat

Gänseblümchen
Wie Gänseblümchen oder der Planet Saturn – allerdings in mikroskopisch kleinen Ausmaßen – sehen die Gebilde aus, die Forscher jetzt in einem Selbstorganisationsprozess haben entstehen lassen: Nanometergroße Teilchen verschiedener Materialien lagerten sich von allein aneinander an und bildeten so die symmetrischen Strukturen. Das Team um Randall Erb und Hui Son von der Duke University im amerikanischen Durham gelang dies durch Ausnutzung der magnetischen Eigenschaften der Partikel.

Gänseblümchen | Die elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt ein magnetisches Kügelchen umgeben von nichtmagnetischen Nanoperlen.
Die kugelförmigen Teilchen schwammen in einem so genannten Ferrofluid, einer wässrigen Suspension magnetischer Eisenverbindungen, an das die Wissenschaftler ein Magnetfeld anlegten. Über dessen Stärke und Richtung sowie über die Auswahl der verwendeten Ausgangsstoffe konnten die Forscher kontrollieren, welche Struktur am Ende entstehen würde. Für die Partikel kamen einerseits Stoffe zum Einsatz, die selbst magnetisch waren – und sich deshalb an den Feldlinien ausrichteten –, und andererseits solche, die diamagnetisch reagierten, also von dessen Kräften abgestoßen wurden.

"Das Entscheidende war, das Zusammenspiel zwischen den unterschiedlichen Partikeln genau aufeinander abzustimmen", erklärt Erb. "Das gelang uns, indem wir die Konzentration der Eisenverbindungen im Ferrofluid veränderten." Saturn und Gänseblümchen seien laut Erb nur Beispiele für viele weitere Strukturen, die sich mit dieser Technik herstellen ließen.

Saturnring-Konfiguration | Auf diesem Fluoreszenzbild sammeln sich rund um eine große Blase ganz ordentlich viele kleine Partikel. Allesamt sind sie gefangen in einem Ferrofluid.
Um die zunächst flüchtige Anordnung der Kügelchen zu konservieren, "verklebte" sie das Wissenschaftlerteam chemisch. Dadurch blieben sie auch nach Abschalten des äußeren Magnetfelds erhalten.

Eine Anwendung ihrer Technik könnte den Forschern zufolge in Bereichen liegen, in denen es auf Materialien mit einem sich vielfach wiederholenden, genau definierten Aufbau ankomme. Dazu zählen etwa Sensoren, die sich die besondere Lichtbrechungseigenschaften solcher geometrischen Mikrostrukturen zu Nutze machen. (jd)

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  • Quellen
Erb, R. M. et al.: Magnetic assembly of colloidal superstructures with multipole symmetry. In: Nature 457, S. 999–1002, 2009.

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