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Projekt
Feldinduzierte Rotationsbewegung ferromagnetischer Nanostäbe in Hydrogelen
Antragsteller
Dr.-Ing. Andreas Tschöpe
Fachliche Zuordnung
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Förderung
Förderung von 2013 bis 2020
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237974252
Dieses Projekt befasst sich mit Kompositen aus Ni-Nanostäben in einer weichelastischen Polyacrylamid (PAM) Hydrogelmatrix. Bei den bisherigen Arbeiten stand die Charakterisierung der physikalischen Eigenschaften der Nanostäbe und ihrer mechanischen Wechselwirkung mit der elastischen Hydrogelmatrix im Vordergrund. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen soll nun die makroskopische Deformation von Ni-Nanostab/PAM-Hydrogelen in homogenen transversalen Magnetfeldern untersucht werden. Dazu werden zunächst homogene Zylinder mit einer magnetischen Textur senkrecht zur Zylinderachse hergestellt. Die feldinduzierte Torsion der Zylinder wird in Abhängigkeit von der Orientierung der Anisotropieachse zur Feldrichtung untersucht und mit analytischen und FEM-basierten Modellrechnungen verglichen. Eine zentrale Frage lautet, wie die Anisotropieachsen der Nanostäbe im (feldfreien) Ausgangszustand ausgerichtet sein müssen, damit möglichst alle Nanostäbe in einem gegebenen Magnetfeld das maximale Drehmoment erfahren. Entscheidend ist dafür die Änderung der Stabachsenorientierung als Folge sowohl der makroskopischen Torsion des Zylinders als auch der lokalen Rotation der einzelnen Partikel in der elastischen Matrix. Das Ziel besteht darin, auf Grundlage der bekannten mikroskopischen Eigenschaften der Komposite ein Materialmodell zur Optimierung der magnetischen Textur drehmomentbasierter Aktoren zu entwickeln. Dieser Modellansatz soll anschließend auf Biegeverformung und komplexere Deformationen übertragen werden. Zusätzlich sollen Nanostab/Hydrogelschichten durch magnetophoretische Abscheidung aus kolloidalen Suspensionen hergestellt werden. Mit Hilfe geeigneter Gradientenfelder können die Nanostäbe wahlweise senkrecht oder parallel zur Schichtebene deponiert werden. Mit steigendem Volumenanteil an Ni-Nanostäben nimmt der Einfluss dipolarer Wechselwirkungen auf die magnetische Anisotropieenergie zu und beeinflusst die Wölbung der 2D Kompositschichten.Als Beitrag zur Arbeitsgruppe "Rheologie" im Schwerpunktprogramm werden Messungen der Rotationsdynamik der Ni-Nanostäbe in viskoelastischen Materialien weitergeführt. Zunächst sollen die laufenden Untersuchungen des Relaxationverhaltens der Ni-Nanostäbe in unvernetzten Polyethylenglykol (PEG)-Lösungen mit unterschiedlichen Molmassen und Konzentrationen abgeschlossen werden. Die mit der Bildung von Netzwerken auftretende dynamische (verschlaufte Polymerlösungen) bzw. statische (chemisch vernetzte Hydrogele) Elastizität wird anhand der Oszillationsamplitude und Relaxationszeiten von Nanostäben unterschiedlicher Länge charakterisiert. Das Ziel besteht darin, die Skalenabhängigkeit der Partikel-Matrix-Wechselwirkung zu nutzen, um Ferrogele herzustellen, deren viskoelastische Eigenschaften durch die feldinduzierte Strukturbildung der magnetischen Nanopartikel gesteuert werden können.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
