Aktorsysteme auf der Basis steuerbarer Partikel-Matrix-Wechselwirkungen in magnetischen Hybridmaterialien mit Anwendungen für Lokomotion und Manipulation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Klaus Zimmermann
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237752329

Die Verwendung magnetischer Felder ist als externer Stimulus zur Steuerung von Materialeigenschaften von erheblichem technischen Interesse, da Magnetfelder leicht erzeugbar und gut kontrollierbar sind. Magnetisch kontrollierte Materialien wie zum Beispiel Suspensionen magnetischer Nano- beziehungsweise Mikropartikel können ihr Verhalten bei vertretbarem technischem Aufwand stark verändern. Magneto-rheologische Elastomere, bei denen magnetische Partikel in einer elastischen Matrix eingebettet werden, stellen einen ersten Schritt in Richtung magnetischer Hybridmaterialien mit steuerbarer Partikel-Matrix-Wechselwirkung dar. Bei solchen Materialien aus einer partikulären magnetischen Komponente in einer komplexen Matrix liefert die wechselseitige Beeinflussung von Partikeln und Matrix einen zusätzlichen Parametersatz im Materialverhalten. Mit diesem können über magnetisch gesteuerte Veränderungen neuartige Materialeigenschaften erzeugt werden. Dabei ist die Kenntnis der Wechselwirkung zwischen den Partikeln und der umgebenden Matrix wichtig für die Analyse des Materialverhaltens an sich, gleichzeitig aber auch die Grundlage für ein erweitertes Verständnis des Verhaltens magnetischer Nanopartikel in biomedizinischen Anwendungen. Die Wechselwirkung der Partikel im Kontakt mit Zellen und biologischem Gewebe ist von entscheidender Bedeutung sowohl für die Gewebeaufnahme der Partikel und für ihre Biodistribution als auch für das Relaxationsverhalten der Partikel, wie es etwa für die magnetisch gestützte Bildgebung verwendet wird. Für das Schwerpunktprogramm spannt sich das Feld der Problemstellungen von der Synthese magnetischer Hybridmaterialien über die Charakterisierung von Materialverhalten und Mikrostruktur und der theoretischen Beschreibung der Zusammenhänge bis hin zu technischen und medizinischen Anwendungen. Im Zentrum des SPPs stehen dabei fünf Kernfragen: 1) Synthetisieren entsprechender Materialien, Erforschung der Beeinflussung des Materialverhaltens durch eine Partikel-Matrix-Wechselwirkung. (2) Skalenübergreifende Beschreibung des Materialverhaltens, die die magnetische Steuerbarkeit der Materialeigenschaften auf mikroskopischer Basis erklärt. Diese Materialmodellierung ist auch erforderlich, um für die Anwendung Materialgesetze zu erzeugen, die auf einem detaillierten Materialverständnis beruhen. (3) Experimentelle Untersuchung des Materialverhaltens im Magnetfeld; Untersuchung, welche Veränderungen der Materialeigenschaften durch die Variation ihrer inneren Struktur im Magnetfeld erzeugt werden können. (4) Aufbauend auf dem Verständnis der magnetischen Hybridmaterialien kann dann die Frage geklärt werden, welche Möglichkeiten sie in neuartigen aktorischen und sensorischen Anwendungen bieten. (5) Zudem ermöglicht dieses Verständnis die Frage, wie sich die Effektivität des biomedizinischen Einsatzes magnetischer Nanopartikel durch eine Steuerung der Wechselwirkung zwischen funktionalisierten Partikeln und Gewebe verbessern lässt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1681: Feldgesteuerte Partikel-Matrix-Wechselwirkungen: Erzeugung, skalenübergreifende Modellierung und Anwendung magnetischer Hybridmaterialien
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Vera A. Naletova