Strukturbildung in Vielteilchensystemen magnetischer Nanostäbe

• Antragstellerin: Professorin Dr. Sabine Klapp
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 167646377

• Erstellungsjahr: 2014

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Magnetische Nanopartikel spielen heutzutage eine wichtige Rolle in einer Vielzahl technologischer Anwendungen, etwa als Materialien mit kontrollierbaren rheologischen und thermischen Eigenschaften sowie als steuerbare Medikamententräger in der Krebsforschung. Für die makroskopischen Eigenschaften von flüssigen Suspensionen magnetischer Teilchen sind dabei häufig mikroskopische Effekte, insbesondere die Aggregation der Partikel in Ketten- und Netzwerkstrukturen, entscheidend. Vor Beginn des hier beschriebenen Projektes konzentrierten sich die Forschungen vorwiegend auf Systeme aus kugelförmigen Partikeln. Unser Ziel war es, die Prinzipien der Selbstaggregation und der Mesophasenbildung in neuartigen Fluiden aus magnetischen Nanostäben voranzutreiben. Dabei sollten sowohl spontane, als auch magnetfeldinduzierte Effekte betrachtet werden. Die Untersuchungen erfolgten auf Basis von Methoden der Statistischen Physik, insbesondere Monte-Carlo (MC) und Molekulardynamik (MD) Computersimulationen geeigneter Modellsysteme. Im ersten Förderjahr wurde schwerpunktmäßig die Strukturbildung länglicher Teilchen aus fest verbundenen, ferromagnetischen Kugeln (also Stäben mit diskretisierter Dipolverteilung) untersucht, einem durch aktuelle Experimente, in dem Eisenpartikel mittels eines Template-Prozesses aggregieren, motivierten Modell. Im Fokus stand dabei die Bestimmung der bei kleinen Dichten auftretenden Clusterbildung, der Perkolationsschwelle, sowie in dichten Systemen auftretenden Mesophasen. Das in umfangreichen MC Simulationen beobachtete Vielteilchenverhalten unterscheidet sich stark nicht nur von dem magnetischer Kugeln, sondern auch von dem Verhalten magnetischer Stäbe mit einem einzigen longitudinalen Dipolmoment. Letztere zeigen z.B. völlig andere Clusterstrukturen. Das zweite Förderjahr widmete sich der Untersuchung der translatorischen und rotatorischen Diffusion in Ensembles aus magnetischen Stäben mit nicht-diskretem Dipol. Im Vordergrund stand dabei der Einfluss der Teilchenform (stabförmig versus kugelförmig) auf die translatorische Diffusion im äusseren Magnetfeld, sowie auf das Dipol-Relaxationsverhalten. Es zeigt sich, dass die Teilchenform tatsächlich einen entscheidenden Einfluss auf die betrachteten dynamischen Größen hat. Besonders interessante Vorhersagen ergeben sich hinsichtlich der frequenzabhängigen magnetischen Suszeptibilität, die im Prinzip experimentell zugänglich ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Percolation and orientational ordering in systems of magnetic nanorods, Soft Matter 8, 3480 (2012)
  Carlos E. Alvarez and Sabine H. L. Klapp
  
• Translational and rotational dynamics in suspensions of magnetic nanorods, Soft Matter 9, 8761 (2013)
  Carlos E. Alvarez and Sabine H.L. Klapp