DFG-Schwerpunktprogramm 1681  English
„Feldgesteuerte Partikel-Matrix-Wechselwirkungen: Erzeugung, skalenübergreifende Modellierung und Anwendung magnetischer Hybridmaterialien“ 
(SPP 1681)  

Ch. Alexiou: Magnetische Hybridmaterialien für die regenerative Medizin: Herstellung, Simulation, Anwendung und toxikologische Untersuchungen

Beschreibung
Nach unserem Verständnis gibt es bei Wechselwirkungen von magnetischen Nanopartikeln mit einer sie umgebenden Matrix zwei Teilbereiche. Sie können in ein elastisches Gerüst eingebunden sein und somit als Teil eines Hybridmaterials mit ihrer Umgebung interagieren oder von außen in ein Material oder Gewebe eindringen und auf dem Weg durch das Material mit ihrer Umgebung Wechselwirkungen eingehen. Die Arbeiten von SEON werden sich daher um die Untersuchung von magnetischen Partikeln in einer gewebeähnlichen Umgebung oder in realem Gewebe drehen, sowie um deren Verhalten in fibrinbasierten Netzwerken, also Blutthromben.
Die Versuche zur Wechselwirkung von magnetischen Partikeln in Hydrogelen und Fibrinnetzwerken werden in enger Absprache mit Partnern des Schwerpunktes so angelegt sein, dass die Ergebnisse mit theoretischen Betrachtungen korreliert werden können. Ziel ist die Herstellung von superparamagnetischen Nanopartikel, die, unterstützt durch das Anlegen eines externen Magnetfeldes, tief in die Fibrinmatrix eindringen können und durch die Beschichtung mit Thrombolytika eine effiziente Thrombolyse auslösen (Abb. 1).
Besonderes Augenmerk werden wir auf das Verhalten von Partikeln beim Übertritt von den Gefäßen in angrenzende Gewebe legen (Transzytose), ein Vorgang der beim Drug Targeting eine essentielle Rolle einnimmt. Dazu wird ein Modellsystem entwickelt welches ermöglicht Änderungen in der Proteinkorona von Nanopartikel nach dem Übergang durch die Endothelschicht in z.B. ein Tumorgewebe zu simulieren um somit Nanopartikel optimal den jeweiligen Anforderungen anpassen zu können (Abb. 2).
Außerdem werden wir zusammen mit Kooperationspartnern innerhalb und außerhalb des SPP1681 an der Generierung neuartiger, endothelialisierter Gefäßprothesen arbeiten. Hier kommen magnetische Partikel-Zellhybride zum Einsatz, die mittels Magnetfeldern auf die innere Oberfläche von Gefäßprothesen aufgebracht werden [1] (Abb. 3). Es sollen dafür neue Materialien entwickelt werden, die die Eigenschaften realer Gefäße besser abbilden und schlussendlich im Patienten länger und komplikationsfreier funktionieren.



 

Abb. 1 Thrombolyse. (A) Prinzip der zielgerichteten (B) Eindringen von Nanopartikel in Serum- bzw. Blutplomben Abb. 2 Drug Targeting. (A) Infiltration von magnetischen Nanopartikeln in das Tumorgewebe. (B) Prinzip der magnetisch verstärkten Transzytose. 
Projektleiter
Prof. Dr. med. Christoph Alexiou, HNO-Klinik Erlangen, Sektion für experimentelle Onkologie und Nanomedizin (SEON)
 
Projektmitarbeiter
Dr. Ralf Friedrich, HNO-Klinik Erlangen, Sektion für experimentelle Onkologie und Nanomedizin (SEON)
Dr. Stefan Lyer, HNO-Klinik Erlangen, Sektion für experimentelle Onkologie und Nanomedizin (SEON)
 
Förderzeitraum
2013 - 
Publikationen
[1] Friedrich RP, Janko C, Pöttler M, Tripal P, Zaloga J, Cicha I, Dürr S, Nowak J, Odenbach S, Slabu I, Liebl M, Trahms L, Stapf M, Hilger I, Lyer S, Alexiou C: Flow cytometry for intracellular SPION quantification: specificity and sensitivity in comparison with spectroscopic methods. Int J Nanomedicine, 2015
[2] Hornung A, Poettler M, Friedrich RP, Zaloge J, Unterweger H, Lyer S, Nowak J, Odenbach S, Alexiou C, Janko C: Treatment Efficiency of Free and Nanoparticle-Loaded Mitoxantrone for Magnetic Drug Targeting in Multicellular Tumor Spheroids, 2015
[3] Zaloga J, Stapf M, Nowak J, Pöttler M, Friedrich RP, Tietze R, Lyer S, Lee G, Odenbach S, Hilger I, Alexiou C: Tangential Flow Ultrafiltration Allows Purification and Concentration of Lauric Acid-/Albumin-Coated Particles for Improved Magnetic Treatment. Int. J. Mol. Sci., 2015
[4] Wisotzki EI, Friedrich RP, Weidt A, Alexiou C, Mayr SG, Zink M: Cellular Response to Reagent-Free Electron-Irradiated Gelatin Hydrogels. Macromolecular Bioscience, 2016
 
Kontakt
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, HNO-Klinik Erlangen,
Sektion für Experimentelle Onkologie und Nanomedizin (SEON)
Glückstraße 10a
D-91054 Erlangen
 
Internet
www.hno-klinik.uk-erlangen.de/seon-nanomedizin/ 

G. Auernhammer: 3D Messung feldinduzierter Deformationen in magnetischen Hybridmaterialien

Beschreibung
Ziel dieses Projekts ist es die Deformation der Matrix um magnetische Partikel herum (interne Deformation) in magnetischen Hybridmaterialien unter dem Einfluss magnetischer oder mechanischer Felder zu untersuchen. Mit diesem Projekt soll durch quasistatische und dynamische Messungen zu einem grundlegenden Materialverständnis beigetragen werden.

• Wie entstehen aus den lokalen Verzerrungen und Reorganisationen Veränderungen der mechanischen Eigenschaften des Hydridmaterials?
• Wie lässt sich die makroskopische mit den internen Deformationen des Hybridmaterials in Verbindung bringen?

Im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1681 soll dieses Projekt sich auf die experimentelle Beobachtung der Matrix und ihrer Verzerrungen konzentrieren mittels konfokaler Fluores-zenzmikroskopie.
Mittels in der Matrix verteilter fluoreszenter Tracerteilchen, deren Bewegung mit der Zeit verfolgt wird, soll die Deformation der Matrix unter dem Einfluss äußerer Felder gemessen werden. Magnetischen Feldern wirken nur auf die eingebetteten magnetischen Partikel und können Kräfte oder Drehmomente auf diese Partikel ausüben. Diese Kräfte und Drehmomente bewegen die magnetischen Partikel relativ zur umgebenden Matrix und erzeugen so eine Deformation in der Matrix. Diese mikrostrukturellen Veränderungen sollen korreliert werden mit Veränderungen der elastischen Eigenschaften. Dazu wird die konfokale Fluoreszenzmikroskopie kombiniert mit mechanischen Messungen und Belastungen der Probe (Piezorheologie und Nanoindentation).
 

Oben: Aufnahme magnetischer Partikel (schwarz) in einer Matrix von fluoreszent markierten Teilchen (grün). Unten: Messung der Deformation 
Projektleiter
Prof. Dr. Günter K. Auernhammer, MPIP Mainz
 
Projektmitarbeiter
Henrik Schmidt, MPIP Mainz
 
Förderzeitraum
2013 - 
Publikationen
[1] Collin, D., Auernhammer, G. K., Gavat, O., Martinoty, P., Brand, H. R.; Frozen-in magnetic order in uniaxial magnetic gels: preparation and physical properties; Macromol. Rapid Comm. 24 (2003), 737 - 741.
[2] Auernhammer, G. K., Collin, D., and Martinoty, P.; Viscoelasticity of suspensions of magnetic particles in a polymer: Effect of confinement and external field; J. Chem. Phys. 124 (2006), 204907 1 -10.
[3] Roth, M., Schilde, C., Lellig, P., Kwade, A., and Auernhammer, G. K.; Colloidal aggregates tested via nanoindentation and simultaneous 3D imaging; Eur. Phys. J. E 35 (2012), 9801.
 
Kontakt
Max-Planck-Institut für Polymerforschung
Ackermannweg 10
55128 Mainz
 
Internet
http://www2.mpip-mainz.mpg.de/~auhammer/ 

S. Behrens: Magnetische flüssigkristalline Hybridmaterialen

Beschreibung
Die Einlagerung nanopartikulärer Magnetpartikel in Flüssigkristalle führt zu einer wechselseitigen Beein-flussung zwischen Partikeln und Flüssigkristall-Molekülen und damit zu anisotropen, weichen Ver-bundmaterialien mit neuen Strukturen und Eigenschaften.

Ziel ist die Herstellung von Hybridmaterialien durch die geordnete Einlagerung magnetischer Festkörpernanopartikel in komplexe, flüssigkristalline Matrizes. Dazu sollen zunächst formselektiv kleine Nanopartikel (insbesondere anisotrope stäbchenförmige Partikel der Magnetmetalle), deren Größe mit der Periodizität der flüssigkristallinen Phase kompatibel ist, synthetisiert und eingelagert werden. Die Oberflächenbeschaffenheit der Nanopartikel soll durch ein modulares Verfahren über elektrostatische Ladungen oder Ligandenaustauschreaktionen so eingestellt werden, dass eine geordnete und homogene Einlagerung in die Flüssigkristallmatrix erfolgt. Dabei sollen zunächst ionische und andere niedermolekulare Flüssigkristalle später auch polymere Flüssigkristalle untersucht und eingesetzt werden. An diesen Hybridmaterialien sollen grundlegende Untersuchungen zu Struktur, Phasenverhalten und magnetischen Eigenschaften durchgeführt werden.

 

Einbettung von Magnetnanopartikeln in Flüssigkristallmatrizes. 
Projektleiter
PD. Dr. Silke Behrens
 
Projektmitarbeiter
Ingo Appel, Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT), Karlsruhe Institute of Technology
Martin Hähsler, Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT), Karlsruhe Institute of Technology
 
Förderzeitraum
2013 - 
Publikationen
 
Kontakt
Karlsruher Institut für Tehnologie
Institut für Katalyseforschung und Technologie
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
 
Internet
http://www.ikft.kit.edu/263.php 

R. Brand, H. Pleiner: Makroskopische Aspekte feldgesteuerter Partikel-Matrix-Wechselwirkungen in MRE und flüssigkristallinen magnetischen Gelen

Beschreibung
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die makroskopischen und rheologischen Eigenschaften von zwei Klassen magnetischer Systeme bei denen feldgesteuerte Partikel-Matrix-Wechselwirkungen eine wichtige Rolle spielen, zu analysieren und auf konkrete Fragestellungen anzuwenden. Einerseits soll der Übergang magnetorheologische Fluide – magnetorheologische Elastomere in äußeren Feldern untersucht werden. Zum anderen sollen die Phasenübergänge und die hydrodynamischen Eigenschaften eines flüssigkristallinen magnetischen Gels bzw. Elastomers studiert werden. In allen zur Untersuchung anvisierten Systemen spielen sowohl die Eigenschaften einer permanenten Vernetzung als auch die Ausbildung eines transienten Netzwerks eine wichtige Rolle. Letztere kann insbesondere durch den Einsatz von magnetischen Feldern beeinflusst bzw. gesteuert werden. Makroskopisch werden hierbei insbesondere nichterhaltene Verzerrungsfelder und Relativrotationen zwischen den verschiedenen Untersystemen ins Spiel kommen – zusätzlich zu den makroskopischen Variablen, die für magnetische Freiheitsgrade und Orientierungsfreiheitsgrade charakteristisch sind. Der hier vorangetriebene makroskopische Zugang ergänzt in natürlicher Weise sowohl experimentelle Untersuchungen als auch die Projekte zur mesoskopischen bzw. mikroskopischen Modellbildung. Es sei noch erwähnt, dass vor kurzer Zeit in der Gruppe von A. Sanchez-Ferrer (ETH Zürich) die Synthese von Nanokompositen bestehend aus flüssigkristallinen Elastomeren und magnetischen Nanoteilchen gelungen ist [1,2].
 
 
Projektleiter
Prof. Dr. Helmut R. Brand, Universität Bayreuth
Prof. Dr. Harald Pleiner, MPI für Polymerforschung, Mainz
 
Projektmitarbeiter
Tilen Potisk, Universität Bayreuth
 
Förderzeitraum
2013 - 
Publikationen
[1] J.M. Haberl, A. Sanchez-Ferrer, A.M. Mihut, H. Dietsch, A.M. Hirt, und R. Mezzenga, Strain-induced macroscopic magnetic anisotropy from smectic liquid-crystalline elastomer-maghemite nanoparticle hybrid nanocomposites, Nanoscale, 5, 5539 (2013).
[2] J.M. Haberl, A. Sanchez-Ferrer, A.M. Mihut, H. Dietsch, A.M. Hirt, und R. Mezzenga, Liquid-crystalline elastomer-nanoparticle hybrids with reversible switch of magnetic memory, Adv. Mat. 25, 1787 (2013)
 
Kontakt
Prof. Dr. Helmut R. Brand
Theoretische Physik III
Universität Bayreuth
95440 Bayreuth
 
Internet
http://www.brand.physik.uni-bayreuth.de/en/index.html 

J. Clement, F. v. Eggeling: Die Dynamik der feldgesteuerten Wechselwirkung umhüllter superparamagnetischer Nanopartikel mit zellulären Barrieren in Gegenwart von therapeutischen Substanzen

Beschreibung
Vor dem Hintergrund einer zunehmenden Appli-kation von magnetischen Hybridmaterialien in der Biomedizin gewinnt das Verstehen der Pro-zesse bei der Interaktion dieser Hybridmateria-lien mit Zellen immer mehr an Bedeutung.

Deshalb sollen in diesem Vorhaben folgende Aspekte eingehend beleuchtet werden: 1. die Form, Ladung und chemische Zusammenset-zung der magnetischen Hybridmaterialien und deren Einfluss auf die nachfolgenden Prozes-se, 2. die biologische Identität, die die Materia-lien durch die unerlässliche Berührung mit bio-logischen Flüssigkeiten erlangen und die ins-besondere durch die Proteincorona repräsen-tiert wird, 3. den Kontakt mit der Zelloberfläche und die daraus folgenden Konsequenzen für die Nanomaterialien, wie dem Relaxationsver-halten, und die Strukturierung der Zellmembran, 4. das Verfolgen des weiteren Umgangs der Zelle mit dem Nanomaterial und 5. die Konse-quenzen dieser Prozesse für die Anwendung von magnetischen Hybridmaterialien im Kontext therapeutischer Maßnahmen, insbesondere bei Schwangeren und bei der Krebstherapie. 

HBMEC Zellen wurden mit Stärke-umhüllten Eisenoxid-Nanopartikeln (nanoscreenMAG/R-D, chemicell, Berlin) inkubiert. Die Nanopartikel (rot) sind vorwiegend nahe des Zellkerns (blau) zu finden. Das Zytoskelett der Zellen ist mit Phalloidin (grün) dargestellt 
Projektleiter
Dr. Joachim Clement, Universitätsklinikum Jena
Prof. Dr. Ferdinand von Eggeling, Universitätsklinikum Jena 
Projektmitarbeiter
Christine Gräfe, Universitätsklinikum Jena
 
Förderzeitraum
2013 - 
Publikationen
[1] Gräfe, C., Slabu, I., Wiekhorst, F., Bergemann, C., von Eggeling, F., Hochhaus, A., Trahms, L., Clement, J.H. 2016. A model system for quantitative study of iron oxide nanoparticle passage through an endothelial cell layer. Phys. Med. Biol. 61:3986-4000
[2] Gräfe, C., Weidner, A., von der Lühe, M., Bergemann, C., Schacher, F.H. Clement, J.H., Dutz, S. 2016. The Protein Corona as a Regulator of Nanoparticle-Cell Interactions. Int. J. Biochem. Cell Biol. 75: 196-202
[3] Zhou, M., Liebert, T., Müller, R., Dellith, A., Gräfe, C., Clement, J.H., Heinze, T. 2015. Magnetic biocomposites for remote melting. Biomacromolecules 16: 2308-2315
[4] Weidner, A., Gräfe, C., von der Lühe, M., Remmer, H., Clement, J.H., Eberbeck, D., Ludwig, F., Müller, R., Schacher, F.H., Dutz, S. 2015. Preparation of core-shell hybrid materials by producing a protein corona around magnetic nanoparticles. Nanoscale Research Letters: DOI 10.1186/s11671-015-0992-2 
Kontakt
Universitätsklinikum Jena
Abt. Hämatologie und Internistische Onkologie
Am Klinikum 1
07747 Jena

 
Internet
http://www.kim2.uniklinikum-jena.de/KIM+II-p-192.html 

S. Dutz: Untersuchung von Bildungkinetik, Stabilität und feldgesteuerter Wechselwirkung mit biologischen Systemen einer auf magneti-schen Nanopartikeln erzeugten Proteinkorona

Beschreibung
Projektbeschreibung:
In diesem Projekt sollen grundsätzlich die Bildung einer Proteinkorona um magnetische Nanopartikel (MNP), der Einfluss verschiedener Faktoren auf diesen Prozess sowie der Einfluss der Korona auf die Wechselwirkung der betreffenden Partikel mit einem biologischen System untersucht werden. Dazu werden Kern-Schale Hybridpartikel, bestehend aus einem magnetischen Kern und einer Polymerhülle mit veränderlicher Ladung und Ladungsdichte hergestellt und anschließend zur Erzeugung einer Proteinkorona in fötalem Kälberserum (FCS) inkubiert. Der Fokus der Arbeiten liegt vor allem auf der Aufklärung der Wechselwirkung zwischen den erzeugten MNP@Korona-Hybridpartikeln und verschiedenen biologischen Systemen. Dies soll untersucht werden, indem diese Partikel mit verschiedenen biologischen Systemen (z.B. Blut, Zellen, Tier) in Kontakt gebracht werden (auch unter Einfluss eines magnetischen Feldes bzw. Feldgradienten) und die anschließende Reaktion des biologischen Systems auf diesen Kontakt hin untersucht wird. Vorgesehene Untersuchungsmethoden dafür sind beispielsweise die µ-Rheologie, etablierte Zelltoxizitätstests sowie zwei- und dreidimensionale mikroskopische Untersuchungen an Zellen und Versuchstieren. Diese Arbeiten beinhalten auch Untersuchungen, wie die Partikel für die Anwendung am lebenden Tier vorbereitet und gelagert werden müssen. Weiteres wichtiges Ziel der Studie ist die Aufklärung der Kinetik der Koronaentstehung. Schlüsselmethoden hierzu sind die Magnetrelaxometrie, AC-Suszeptometrie sowie Kleinwinkelröntgenstreuung zur Erfassung von minimalen Änderungen des hydrodynamischen Durchmessers, welche mit dem Wachstum der Korona einhergehen. Nachdem die Korona definiert und reproduzierbar hergestellt werden kann, soll nun untersucht werden, welche mechanische Struktur die Korona aufweist und welche Beständigkeit die Korona auf der Partikeloberfläche besitzt. Dazu werden Koronapartikel definiert hergestellt und mit Farbstoffen markiert. Durch ein geeignetes Farbstoffpaar (ein Partner jeweils gebunden in das Polymer sowie die Korona) lässt sich bei räumlicher Nähe dieser beiden Farbstoffe ein Förster-Resonanz Energietransfer beobachten, welcher aussetzt, sobald die beiden Farbstoffe einen größeren Abstand einnehmen. Mit dieser Methode kann das Ablösen der Korona von der Partikeloberfläche für verschiedene Szenarien/Bedingungen untersucht werden, auch innerhalb von Zellen oder Tieren. In einem weiteren Teilprojekt wird untersucht, wie sich verschiedene Oberflächenstrukturen (Patches) der Polymerhülle auf die Ausbildung einer Proteinkorona auf den magnetischen Nanopartikeln auswirkt. Durch die Ausbildung einer MNP-Hülle, welche gleichzeitig hydrophile und hydrophobe Domänen enthält, kann Einfluss darauf genommen werden, wie sich Proteine an dieser Hülle anlagern können, da bei entsprechenden Mustern ähnlich nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip die Serumproteine entweder sehr gut oder aber auch gar nicht an die strukturierte Partikelhülle anbinden können. 

Bildunterschrift-de 
Projektleiter
Dr.-Ing. Silvio Dutz, TU Ilmenau 
Projektmitarbeiter
Dipl.-Ing. Andreas Weidner 
Förderzeitraum
2016 - 2017 
Publikationen
[1] M. v.d. Lühe, U. Günther, A. Weidner, C. Gräfe, J.H. Clement, S. Dutz, F.H. Schacher. SPION@Polydehydroalanine Hybrid Particles. RSC Advances 5: 31920–31929 (2015).
[2] A. Weidner, C. Gräfe, M. v.d. Lühe, H. Remmer, J.H. Clement, D. Eberbeck, F. Ludwig, R. Müller, F.H. Schacher, S. Dutz. Preparation of Core-Shell Hybrid Materials by Produc-ing a Protein Corona around Magnetic Nanoparticles. Nanoscale Research Letters 10: 282 (2015).
[3] C. Gräfe, A. Weidner, M. v.d. Lühe, C. Bergemann, F.H. Schacher, J.H. Clement, S. Dutz. Intentional formation of a protein corona on nanoparticles - Serum concentration affects protein corona mass, surface charge, and nanoparticle-cell interaction. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology (2016) dx.doi.org/10.1016/j.biocel.2015.11.005
 
Kontakt
TU Ilmenau
Fakultät Informatik und Automatisierung
Institut für Biomedizinische Technik und Informatik
Gustav-Kirchhoff-Straße 2
98693 Ilmenau 
Internet
www.tu-ilmenau.de/bmti 

B. Fischer: Synthese von multifunktionalen Hybridmaterialien: Optimierung der magnetischen Wechselwirkungen

Beschreibung
Unser Ziel ist die Herstellung von multifunktionalen Hybridmate-rialien, in denen Partikel mit einem hohen magnetischen Mo-ment homogen vorliegen. Dabei wird versucht Eisenoxidpartikel unterschiedlicher Modifikationen und Geometrie zu präparieren. Diese sollen die Eigenschaften der Matrix gezielt durch ein Magnetfeld steuern können.

Da nicht nur weichmagnetische Materialien, wie Magnetit, von Interesse sind, sondern auch hartmagnetische, wie Kobaltferrit, werden Synthesen entwickelt um analog zum Modellsystem aus Hämatit-Partikeln auch anisotrope Kobaltferrit-Partikel herzustel-len.

Die hergestellten Nanopartikel werden in ein thermoresponsives Hydrogel basierend auf quervernetztem Poly(N-isopropylacrylamid) pNiPAAm eingearbeitet um Makrogele zu erhalten. Durch Verändern der Syntheseroute können die me-chanischen Eigenschaften gezielt eingestellt und über die Tem-peratur gesteuert werden.

Der Schwerpunkt wird einerseits auf der Herstellung von neuar-tigen anisotropen Nanopartikeln liegen, die in Hydrogele einar-beitet werden, andererseits auf die temperaturabhängigen Ei-genschaften der thermoresponsiven Hülle. In der Kombination wird untersucht, wie mit Hilfe von magnetischen Feldern gezielt die mechanischen Eigenschaften der Gesamtmatrix eingestellt werden können. 

Skizze der Herstellung eines thermoresponsiven Makrogels: Zunächst werden magnetische Partikel mit einer Silika-Hülle stabilisiert und anschließend durch radikalische Polymerisation in ein pNiPAAm Mikrogel eingebettet, welches anschließend zu einem Makro 
Projektleiter
Dr. Birgit Fischer, Universität Hamburg
 
Projektmitarbeiter
Niklas Lucht, Universität Hamburg 
Förderzeitraum
2013 -  
Publikationen
[1] C. Märkert, B. Fischer, J. Wagner, J. Appl. Cryst. 44 (2011) 441-447.
[2] J. Wagner, C. Märkert, B. Fischer, L. Müller, Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 048301.
[3] S. Hinrichs, N. Nun, B. Fischer, J. Magn. Magn. Mater. (2016) in Press.
 
Kontakt
Universität Hamburg
Institut für Physikalische Chemie
Grindelallee 117, Rm 342a
20146 Hamburg 
Internet
https://www.chemie.uni-hamburg.de/pc/ 

M. Gradzielski: Auf Magnetfeld und Temperatur reagierende Hybridmaterialien mit rheologischer Kontrolle: Zusammenspiel von magnetischen Nanopartikeln und einem Gel-Netzwerk in AC, DC und AC+DC Feldern gemessen mittels Hochfrequenz-SANS

Beschreibung
Thermoreversible Ferrohydrogele, mit in der Gel-Matrix eingelagerten magnetischen Nanopartikeln (NP), werden als archetypische skalenübergreifende und beeinflussbare Hybridmaterialien untersucht. Dabei ist das Ziel, die Wechselwirkungen zwischen NP und dem kristallinen Fasernetzwerk im AC und/oder DC magnetischem Feld zu untersuchen, um die Kontrolle und Modifikation ihrer makroskopischen rheologischen Eigenschaften zu ermöglichen.
Als Hauptcharakterisierungsmethode soll Kleinwinkel-Neutronenstreuung (SANS) in Anwesenheit eines AC und/oder DC Magnetfeldes dienen. Aufgrund des Zugangs eines breiten Beobachtungsbereichs im Nanometerbereich (Fibrillen, Partikelposition), der Möglichkeit dynamischer Messungen (bis zu 0.1µs) und selektiven Beobachtung einzelner Komponenten (durch Kontrastvariation und Einsatz von polarisierten Neutronen) ist SANS das Mittel der Wahl.
In diesem Rahmen werden zunächst wohldefinierte magnetische Nanopartikel (harte und weiche Magnete) mit variabler Größe hergestellt, die dann zur besseren Stabilisierung und Einbindung mit einer Silikahülle umgeben werden. Parallel werden Gelsystem durch Selbstaggregation aus möglichst biokompatiblen Komponenten hergestellt, mit variabler Gelstärke und –struktur.
Die Steifigkeit des Netwerkes und die Adhesionskraft an NP-Faser-Knotenpunkten werden durch die Wahl des Gelators und der Funktionalisierung gesteuert. Mit ändernder Knotenanzahl und -stärke werden Rotations- und Translationsmöglichkeit der Partikel variiert, was relativ zur Amplitude und Frequenz des angelegten Feldes unterschiedliche Ergebnisse erwarten lässt. Dissipative Effekte und Thixotropie werden berücksichtigt.
Durch Anwendung von Tempertechniken können im Magnetfeld bestehende Strukturen fixiert oder gelöscht werden, was die Möglichkeit zu reversiblen Strukturspeicherungen eröffnet. 

Oben: TEM Aufnahmen von monodispersen würfelförmigen Fe3O4 Nanopartikeln (links), die mit einer Silikaschicht überzogen werden können (rechts). Unten: SANS Kurven für Gele mit konstanter Konzentration von 300 mM oleate (T =25°C) 
Projektleiter
Prof. Michael Gradzielski, Technische Universität Berlin
 
Projektmitarbeiter
Sarah Schatte, Technische Universität Berlin
 
Förderzeitraum
2013 -  
Publikationen
[1] Wiedenmann, A.; Keiderling, U.; Meissner, M.; Wallacher, D.; Gahler, R.; May, R. P.; Prevost, S.; Klokkenburg, A.; Erne, B. H. & Kohlbrecher, J. Low-temperature dynamics of magnetic colloids studied by time-resolved small-angle neutron scattering Physical Review B, 2008, 77
DOI:10.1103/PhysRevB.77.184417
[2] Wiedenmann, A.; Gähler, R.; Dewhurst, C. D.; Keiderling, U.; Prévost, S. & Kohlbrecher, J. Relaxation Mechanisms in Magnetic Colloids Studied by Stroboscopic Spin Polarised SANS Physical Review B, 2011, 84 (21), 214303
DOI:10.1103/PhysRevB.84.214303
[3] Wiedenmann, A.; Gähler, R.; May, R. P.; Keiderling, U.; Habicht, K.; Prévost, S.; Klokkenburg, M.; Erné, B. & Kohlbrecher, J. Eckold, G.; Schober, H. & Nagler, S. E. (Eds.) Stroboscopic Small Angle Neutron Scattering Investigations of Microsecond Dynamics in Magnetic Nanomaterials Springer Series in Solid-State Sciences, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010, 161, 241-263
DOI:10.1007/978-3-642-03309-4_9
[4] Klee, A.; Prevost, S.; Kunz, W.; Schweins, R.; Kiefer, K. & Gradzielski, M. Magnetic microemulsions based on magnetic ionic liquids Physical Chemistry Chemical Physics, 2012, 14, 15355-15360
DOI:10.1039/c2cp43048g
 
Kontakt
Technische Universität Berlin
Fakultät II
Institut für Chemie
Sekretariat TC 7
Straße des 17. Juni 124
10623 Berlin
 
Internet
http://bit.ly/tu-berlin-prevost 

Ch. Holm: Eigenschaften von magnetischen Hybridmaterialien - ein mikroskopischer Simualtionszugang

Beschreibung
Wir planen in diesem Projekt, die Mikrostruktur, das magnetische Verhalten sowie die mechanischen und viskoelastischen Eigenschaften von dreidimensionalen magnetischen Gelen zu untersuchen. Dies soll auf der Basis mikroskopischer Teilchenmodelle geschehen, wobei die Netzwerkstruktur des Gels entweder als verbundene Kugel-Feder-Ketten oder mit impliziten Potentialen realisiert wird. Schwerpunktmäßig werden Modelle untersucht, in denen die Knoten des Netzwerkes aus magnetischen (dipolaren) sphärischen oder ellipsoidalen Teilchen bestehen. Der Fokus der Untersuchungen wird auf der feldgesteuerten Änderungen der Mikrostruktur der Gele, und damit zusammenhängenden Änderungen der elastischen, magnetischen und viskoelastischen Eigenschaften liegen. In dieser Förderperiode sollen zusätzlich auch dynamische Eigenschaften des Netwerkes wie die AC-Feldantwort untersucht werden.

Zukünftig möchten wir zudem die Transporteigenschaften eingebetteter, beweglicher magnetischer Teilchen verschiedener Form unter Berücksichtigung der hydrodynamischen Wechselwirkungen untersuchen, insbesondere ihre Änderung unter dem Einfluss magnetischer Felder. Hierbei liegt das Hauptaugenmerk auf der Änderung der Mobilität in Gradientenfeldern, das zu magnetophoretischem Verhalten führt.
 

Momentaufnahme eines Gels, in dem magnetische Teilchen (rot) als Quervernetzer eingesetzt sind. Sechs Polymerketten sind mit jedem Teilchen verbunden, und das Netzwerk hat die Topology eines Einfach-kubischen Netzwerkes.  
Projektleiter
Prof. Dr. Christian Holm, ICP, Universität Stuttgart
 
Projektmitarbeiter
Rudolf Weeber, ICP, Universität Stuttgart
Patrick Kreisel, ICP, Universität Stuttgart
 
Förderzeitraum
2013 - 
Publikationen
[1] Z. Wang, Z.; C. Holm, H.W. Müller, Molecular dynamics study on the equilibrium magnetization properties and structure of ferrofluids, Phys. Rev. E 66, 021405, (2002).
[2] J.J. Cerda, P.A. Sanchez, C. Holm, T. Sintes, 
Phase diagram for a single flexible Stockmayer polymer at zero field, Soft Matter 9, 7185-7195 (2013).
[3] M. Klinkigt, R. Weeber, S.S. Kantorovich, C. Holm, 
Cluster formation in systems of shifted-dipole particles,
Soft Matter 9, 3535-3546, (2013).
[4] R. Weeber, S.S. Kantorovich, C. Holm, Deformation mechanisms in 2D magnetic gels studied by computer simulations, Soft Matter 8, 9923-9932 (2012).
 
Kontakt
Institute for Computational Physics
Universität Stuttgart
Allmandring 3
70569 Stuttgart
 
Internet
http://www.icp.uni-stuttgart.de 

P. Ilg: Kooperatives Verhalten und Dynamik magneticher Nanopartikel in Polymerlösungen

Beschreibung
Die Struktur, Dynamik und die resultierenden Transport-Eigenschaften magnetischer Nanopartikel in viskoelastischen Medien spielen eine zentral Rolle für das magnetorheologische Verhalten magnetischer Hybridmaterialien.

Ziel dieses Projekts ist es, den Einfluss der Viskoelastizität des Trägermediums auf die Transporteigenschaften magnetischer Nanopartikel systematisch zu untersuchen, um die experimentellen Befunde besser interpretieren und vorhersagen zu können. Zu diesem Zweck werden in diesem Vorhaben Computersimulationen detaillierter Modellsysteme durchgeführt, in denen die magnetischen Nanopartikel in einer Polymerlösung suspendiert sind. Durch die Konzentration der Polymerlösung lässt sich der Grad der Viskoelastizität kontrollieren: vom sehr verdünnten Bereich der Ferrofluide bis zum stark konzentrierten Regime der Elastomere. Die Ergebnisse der Computersimulationen zu mikro- und makrorheologischen Eigenschaften mit und ohne Feldeinfluss können direkt mit entsprechenden Experimenten verglichen werden. Da zudem die gesamte Strukturinformation in den Simulationen enthalten ist, können diese mit den Ergebnissen tomographischen Untersuchungen verglichen werden.

Die beschriebenen Simulationen sind ebenfalls nützlich als erste Schritte für die Untersuchung magnetischer Gele, bei denen die Polymermoleküle untereinander vernetzt sind, sowie für magnetische Nanopartikel in biologischem Milieu, in dem semi-flexible Biopolymere allgegenwärtig sind. 

Skizze magnetischer Nanopartikel in Polymerlösungen zunehmender Konzentration (von oben nach unten). 
Projektleiter
Dr. Patrick Ilg, University of Reading
 
Projektmitarbeiter
Apostolos E. A. S. Evangelopoulos, University of Reading
 
Förderzeitraum
2013 - 
Publikationen
 
Kontakt
University of Reading
Department of Mathematics & Statitics
Reading
 
Internet
http://www.polyphys.mat.ethz.ch/people/senior_researchers/pilg 

M. Kästner: Mehrskalige XFEM-Modellierung magnetosensitiver Materialien unter Nutzung von Mikrostrukturbildern

Beschreibung
Bei der Anwendung magnetosensitiver Materialien sind insbesondere die makroskopischen Eigenschaften von Bedeutung. Da das effektive Verhalten entscheidend von den Materialeigenschaften der einzelnen Komponenten und ihrer geometrischen Anordnung im Verbund bestimmt ist, soll in diesem Projekt eine mehrskalige Modellierung erfolgen, wobei exemplarisch magnetorheologische Elastomere herangezogen werden. Auf allen zu betrachtenden Längenskalen kommt eine kontinuumsbasierte, phänomenologische Modellbildung zum Einsatz.

Ausgehend von den Eigenschaften der magnetisierbaren Partikel und der polymeren Matrix werden mittels numerischer Homogenisierungsverfahren Vorhersagen für das effektive mechanische, magnetische und magneto-mechanische Verhalten berechnet. Im Rahmen dieses Projekts sind daher effiziente Verfahren zur automatisierten Konvertierung der aus verschiedenen bildgebenden Verfahren der Strukturaufklärung verfügbaren Daten in ein numerisches Modell der lokalen Werkstoffstruktur zu entwickeln.

Durch die Kombination von Segmentierungsverfahren mit der erweiterten Finite-Elemente-Methode (XFEM) soll dabei der wesentliche Vorteil voxelbasierter Diskretisierungsverfahren, das nichtkonforme, strukturierte Berechnungsnetz, mit einer glatteren Approximation der Materialgrenzen kombiniert und so die Genauigkeit der lokalen Feldgrößen gegenüber Voxelmethoden verbessert werden.
 

Effektive aktuatorische Spannungen für nichtlineares (durchgezogene Linien) und lineares magnetisches Materialverhalten (gestrichelte Linien) in Abhängigkeit der makroskopischen Flussdichte mit Verschiebungsfeld u1 (dreifach überhöht dargestellt) für eine 
Projektleiter
Prof. Dr.-Ing. Markus Kästner, TU Dresden
 
Projektmitarbeiter
Dipl.-Ing. Karl Kalina, TU Dresden
 
Förderzeitraum
2013 - 
Publikationen
[1] C. Spieler, M. Kästner, J. Goldmann, J. Brummund, V. Ulbricht: XFEM modeling and homogenization of magnetoactive composite materials. Acta Mechanica 224(11), S.2453-2469, 2013
[2] S. May, M. Kästner, S. Müller, V. Ulbricht: Hybrid IGAFEM/IGABEM formulation for two-dimensional stationary magnetic and coupled magneto-mechanical field problems. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 273, S.161-180, 2014
[3] C. Spieler, P. Metsch, M. Kästner, V. Ulbricht: Microscale Modelling of Magnetoactive Composites Undergoing Large Deformations . Technische Mechanik 34(1), S. 39-50, 2014
[4] C. Spieler, M. Kästner, V. Ulbricht: Analytic and numeric solution of a magneto-mechanical inclusion problem. Archive of Applied Mechanics, 85(9), S. 1483–1497, 2015
 
Kontakt
TU Dresden
Institut für Festkörpermechanik
01062 Dresden
 
Internet
http://mfk.mw.tu-dresden.de 

S. Klapp: Computersimulationen und Theorie von Hybridmaterialien aus Ferrokolloiden und Flüssigkristallmatrizen

Beschreibung
Magnetische Hybridmaterialien sind zukunftsweisende Materialsysteme, die die Eigenschaften magnetischer Kolloide mit denen viskoser Trägermatrizen vereinen. Im vorliegenden Projekt werden als Beispiel solcher Hybridmaterialien Kompositsysteme aus ferromagnetischen Nanopartikeln in flüssigkristallinen Wirtsmatrizen durch Methoden der statistischen Physik untersucht. Ziel ist es, das Wechselspiel zwischen dem statischen und dynamischen Verhalten der magnetischen Nanoteilchen (Orientierung, Aggregation, Relaxation) und dem der Matrix zu verstehen und damit Vorhersagen über makroskopische, messbare Materialgrößen zu treffen. Ein entscheidender Aspekt ist dabei die Untersuchung der Rolle eines externen Magnetfeldes und seines Zusammenspiels mit dem Direktor des Flüssigkristalls.

Dabei werden längerfristig zwei Ansätze verfolgt. Zunächst wird die mikroskopische Strukturbildung und Mobilität der Teilchen in der Matrix mit und ohne äußeres Feld durch teilchenbasierte Computersimulationen, in die sowohl die magnetischen als auch die Matrixteilchen explizit als Freiheitsgrade eingehen, untersucht. Über die Simulationen hinaus werden die Kompositsysteme auf Basis einer zeitabhängigen Landau-Theorie, in denen das Ordnungsparameterfeld der Matrix sowie die Magnetisierung der Teilchen die relevanten dynamischen Variablen darstellen, untersucht. Eine besonders interessante Frage ist dabei das Auftreten von scherinduzierten Instabilitäten. Auf diese Weise soll im Rahmen des Schwerpunktprojektes eine skalenübergreifende Beschreibung von ferromagnetischen Nanoteilchen in Flüssigkristallmatrizen entwickelt werden.
 

 
Projektleiter
Prof. Dr. Sabine Klapp, Technische Universität Berlin
 
Projektmitarbeiter
Stavros Peroukidis, Technische Universität Berlin
 
Förderzeitraum
2013 - 
Publikationen
[1] Peroukidis, S. D.; Lichtner, K.; Klapp, S. H. L. (2015) „Tunable structures of mixtures of magnetic particles in liquid-crystalline matrices“ RCS, Soft Matter
[2] Peroukidis, S. D.; Klapp, Sabine H.L. (2015) „Spontaneous ordering of magnetic particles in liquid crystals: From chains to biaxial lamellae“ Phys. Rev. E 
Kontakt
TU Berlin, Sekr. EW 7-1
Institut für Theoretische Physik
Fakultät II Mathematik und Naturwissenschaften
Eugene-P.-Wigner-Gebäude
Hardenbergstr. 36
D-10623 Berlin-Charlottenburg
 
Internet
www.itp.tu-berlin.de/klapp 

R. v. Klitzing: Mechanische Eigenschaften von multifunktionalen magnetischen Mikrogelpartikeln

Beschreibung
Das Projekt zielt auf ein besseres Verständnis der magnetisch-mechanischen Eigenschaften von multifunktionalen Hybrid Mikorgelpartikeln ab. Der Durchmesser der polymeren Mirogele kann zwischen 300 nm und 2 Mikrometern gezielt eingestellt werden. Die Gele enthalten magnetische Nanopartikel mit einem Durchmesser von bis zu 20 nm. Die Poly(N-isopropyl-acrylamid) (PNIPAM)-basierten Gele sind thermosensitiv und nach Zugabe entsprechender Monomere zusätzlich noch pH-sensitiv. Um die Deformation der Gele und deren mechanische Eigenschaften im Magnetfeld steuern zu können, muss die Ankopplung der MNP an die Polymermatrix kontrolliert werden. Dafür wird zum einen die Maschenweite über die Zugabe des Quervernetzers der MNP-Größe angepasst. Zum anderen wird die direkte Anbindung an die Polymermatrix (Elektrostatik, Wasserstoffbrückenbindung) über den Einbau von Comonomeren in die Polymermatrix gesteuert. Zum Studium des Einflusses geometrischer Einschränkungen auf die magneto-mechanischen Eigenschaften werden die Gele auf einer planaren Unterlage (Wafer) abgeschieden. Zusätzlich dient diese Konfiguration auch der Untersuchung der aktuatorischen Eigenschaften. Im Projekt soll eine magnetische Umgebung für ein AFM entwickelt werden, die es ermöglicht, Deformation und viskoelastische Eigenschaften in-situ im Magnetfeld zu untersuchen. Ein senkrecht zur Oberfläche orientiertes Gradientenfeld und ein paralleles homogenes Magnetfeld sollen letztendlich zur Verfügung stehen. 
Fotos wässriger Lösung mit PNIPAM (oben) and PNIPAM-co-allylamin (unten). Beide Lösungen enthalten zudem magnetische Nanopartikel (MNP). Insets: TEM Bilder, PNIPAM-gelpartikel enthalten keine MNP, während PNIPAM-co-allylamine MNP enthalten. Letztere könne 
Projektleiter
Prof. Dr. Regine v. Klitzing, TU Berlin
 
Projektmitarbeiter
Sebastian Backes, TU Berlin
Marcus Witt, TU Berlin
 
Förderzeitraum
2013 - 2015 
Publikationen
[1] S. Schmidt, H. Motschmann, T. Hellweg, R. v. Klitzing, Polymer, 2008 49, 749.
[2] A. Burmistrova, M. Richter, C. Üzüm, R. v. Klitzing Coll. Pol. Sci. 2011, 289, 613.
[3] H. Lange, N. G. Bastus, A. Carl, M. Richter, H. Weller, B. H. Juarez, C. Thomsen, R. v. Klitzing, A. Knorr Langmuir, 2012, 28 8862.
[4] K. Gawlitza, S. T. Turner, F. Polzer, S. Wellert, M. Karg, P. Mulvaney, R. v. Klitzing PCCP 2013, 15, 15623.
 
Kontakt
TU Berlin, Sekr. TC09
Fakultät II Naturwissenschaften und Mathematik
Lehrstuhl Angewandte Physikalische Chemie
Straße des 17. Juni 124
10623 Berlin
 
Internet
http://www.chemie.tu-berlin.de/klitzing/menue/home/ 

M. Krutyeva: Magnetorheologisches Verhalten magnetischer Hybridmaterialien

Beschreibung
In letzter Zeit hat das Interesse an funktionalen Polymer- nanokompositen aufgrund deren vielseiter Anwendungsmöglichkeit für z.B. Sensoren, Plasmonik und intelligente Beschichtungen für Anwendungen im Energie- und Medizinbereich stark zugenommen. Um das große Potential dieser Materialen weiter auszuschöpfen, müssen die zugrundeliegenden Nanostrukturen, sowie die Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und umgebender Matrix beispielsweise durch ein äußeres Feld kontrolliert werden.
Das Projektziel besteht in der Synthese und der physikalischen Untersuchung von magneto- elastomeren Kompositen mit supramolekularer Funktionalität. Die Nanokompositen bestehen aus superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln (SPIONs) und einer Matrix aus elastomerem Polyisopren (PI) oder Polyalkylenoxiden wie Polybutylenoxid (PBO). Diese Hybridmaterialien können magnetisch induziert geordnet werden, was besonders bei niederen Matrixviskositäten zu erwarten ist. Deshalb werden wir die Arbeiten erst auf moderat entangelte Polymere konzentrieren. Wir werden danach die Polymere und SPIONs mit supramolekularen Gruppen auf der Basis von Wasserstoffbrückenbindungen funktionalisieren. Dadurch werden bei erhöhter Temperatur, d. h. offenen supramolekularen Bindungen, im Magnetfeld Ordnungseffekte erzielt. Diese Strukturen können durch Kühlen, d. h. geschlossene supramolekulare Bindungen, eingefroren werden. Die jetzt elastomere und stark entangelte Matrix besteht dabei aus kurzen Bausteinen, die lange lineare Ketten aufbauen. Dadurch lassen sich Kettenlänge und Viskosität kontrollieren. In der jetzigen Förderperiode planen wir die Basissysteme ohne supramolekulare Funktionalität zu etablieren und zu untersuchen. In der nächsten Förderperiode wollen wir die supramolekularen Systeme untersuchen. 

 
Projektleiter
Dr. Margarita Krutyeva, Forschungszentrum Jülich 
Projektmitarbeiter
Dr. Jürgen Allgaier, Forschungszentrum Jülich 
Förderzeitraum
2013 -  
Publikationen
 
Kontakt
Jülich Centre for Neutron Science JCNS (JCNS-1) & Institute for Complex Systems (ICS-1)
Forschungszentrum Jülich GmbH
52425 Jülich
 
Internet
http://www.fz-juelich.de/ics/ics-1/EN/Home/home_node.html 

H. Löwen, A. Menzel: Modellierung und theoretische Beschreibung magnetischer Hybridmaterialien - Brückenschlag von meso- zu makroskopischen Skalen

Beschreibung
Mit Hilfe diskreter Dipol-Feder- und Partikel-Matrix-Modelle sowie statistischer Theorien sollen die strukturellen und dynamischen Eigenschaften magnetischer Hybridmaterialien beschrieben werden. Unsere mesoskopische Modellierung berücksichtigt explizit die Translations- und Rotationsfreiheitsgrade magnetischer Dipolteilchen sowie aus einer umgebenden Polymermatrix resultierende elastische Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen.

Zum einen werden diese Modelle analytisch und in verschiedener Komplexität numerisch untersucht. Zum anderen sollen entsprechende klassische Vielteilchentheorien zur Materialbeschreibung entwickelt werden. Besonderes Augenmerk liegt zum Beispiel auf Gedächtniseffekten in den magnetischen Dipolorientierungen, Spannungsdehnungsverhalten, dynamischen Aspekten sowie dem kombinierten Einfluss äußerer magnetischer und mechanischer Felder.

Ziel ist es, am Ende im Rahmen von einfachen Modellen und Vielteilchentheorien sowie unter Berücksichtigung der Ergebnisse experimenteller Gruppen das Materialverhalten zu verstehen und zu beschreiben. Unsere mesoskopischen Modelle sollen einerseits mit Hilfe von mikroskopischen Daten aus anderen Gruppen angepasst und verfeinert werden. Andererseits soll ausgehend von den mesoskopischen Vielteilchentheorien eine Brücke hin zu den makroskopischen Skalen errichtet werden.

 

Einfache Dipol-Feder-Modelle als erster Ausgangspunkt zur Entwicklung klassischer Vielteilchentheorien: Teilchen mit Dipolorientierungen ui an Orten ri innerhalb eines Abstands rc werden mit elastischen Federn verbunden. 
Projektleiter
Prof. Dr. Hartmut Löwen, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
PD Dr. Andreas M. Menzel, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
 
Projektmitarbeiter
Peet Cremer, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Mate Puljiz, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Giorgio Pessot, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
 
Förderzeitraum
2013 - 
Publikationen
[1] M. A. Annunziata, A. M. Menzel, H. Löwen, J. Chem. Phys. 138, 204906 (2013).
[2] E. Allahyarov, A. M. Menzel, L. Zhu, H. Löwen, Smart Mater. Struct. 23, 115004 (2014).
[3] G. Pessot, P. Cremer, D. Y. Borin, S. Odenbach, H. Löwen, A. M. Menzel, J. Chem. Phys. 141, 124904 (2014).
[4] M. Tarama, P. Cremer, D. Y. Borin, S. Odenbach, H. Löwen, A. M. Menzel, Phys. Rev. E 90, 042311 (2014).
[5] A. M. Menzel, J. Chem. Phys. 141, 194907 (2014).
[6] A. M. Menzel, Phys. Rep. 554, 1 (2015).
[7] G. Pessot, R. Weeber, C. Holm, H. Löwen, A. M. Menzel, arXiv:1502.03707 (2015).
[8] A. Kaiser, K. Popowa, H. Löwen, arXiv: 1503.03315 (2015).
[9] C. Passow, B. ten Hagen, H. Löwen, J. Wagner, arXiv: 1503.05893 (2015).
 
Kontakt
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Institut für Theoretische Physik II: Weiche Materie
Universitätsstraße 1, Gebäude 25.32
D-40225 Düsseldorf
 
Internet
http://www2.thphy.uni-duesseldorf.de 

F. Ludwig: Dynamische magnetische Untersuchungen der Partikel Matrix Wechselwirkung magnetischer Hybridmaterialien

Beschreibung
Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Etablierung von Messmethoden zur umfassenden Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften von magnetischen Nanopartikeln (MNP) in verschiedenen Partikel-Matrix-Hybridsystemen. Diese sollen zum besseren Verständnis der Partikel-Matrix-Wechselwirkung dienen. In Verbindung mit den dynamischen Messmethoden steht die Entwicklung theoretischer Modelle, die die magnetische Antwort der in einer Matrix befindlichen Partikel auf einen Magnetisierungspuls (Magnetrelaxometrie, MRX), auf ein magnetisches Wechselfeld (AC Suszeptibilität, ACS) sowie auf ein rotierendes Magnetfeld (RMF) selbstkonsistent beschreiben.

Die am Institut vorhandenen dynamischen magnetischen Messtechniken (Fluxgate-MRX [1,2], ACS [3] und RMF [4]), die einen Frequenzbereich von sub-Hz bis zu einigen MHz abdecken, gestatten dabei z. T. die Messung bei variablen Temperaturen (Raumtemperatur bis 100°C) und in Magnetfeldern bis etwa 10 mT und werden entsprechend den Anforderungen ständig weiterentwickelt.

Untersuchungen werden vor allem an Polymerlösungen mit verschiedenen Polymerkettenlängen und an Ferrogelen durchgeführt, wobei der Sol-Gel-Übergang sowie die Gelationskinetik im Fokus stehen. Eine Variation der Temperatur der Probe erlaubt neben der thermisch induzierte Formierung und Auflösung der Matrix (Sol-Gel-Übergang) zudem die Änderung der Brown-Zeitkonstante und der Viskosität. Es werden Partikel-Matrix-Hybridsysteme verschiedener Verbundpartner untersucht. Die an Polymersuspensionen und viskoelastischen Partikel-Matrix-Systemen gemessenen Daten werden verwendet, um mit Modellen (Nano)Viskositäten und Schermodule zu extrahieren. Diese werden mit rheologisch ermittelten Daten verglichen. Ziel ist das Vorantreiben des skalenübergreifenden Verständnisses der magnetorheologischen Effekte mit dem Ziel, die an Modellsystemen entwickelte Methodologie zu konsolidieren und auf technisch und biomedizinisch relevante System anzuwenden.
 

 
Projektleiter
PD Dr. Frank Ludwig, Technische Universität Braunschweig
 
Projektmitarbeiter
Hilke Remmer, Technische Universität Braunschweig
 
Förderzeitraum
2013 - 
Publikationen
[1] J. Dieckhoff, M. Schilling, and F. Ludwig, „Fluxgate based detection of magnetic nanoparticle dynamics in a rotating magnetic field”, Appl. Phys. Letters 99, 112501-1 – 3 (2011)
[2] H. Remmer, J. Dieckhoff, A. Tschöpe, E. Roeben, A. M. Schmidt, and F. Ludwig, “Dynamics of CoFe2O4 Single-Core Nanoparticles in Viscoelastic Media”, Physics Procedia 75, 1150-1157 (2015)
[3] J. Landers, S. Salamon, H. Remmer, F. Ludwig, and H. Wende, “Simultaneous study of Brownian and Néel relaxation phenomena in ferrofluids by Mössbauer spectroscopy”, Nanoletters 16, 1150-1155 (2016)
[4] A. Weidner, J. H. Clement, D. Eberbeck, C. Gräfe, H. Remmer, M. v. d. Lühe, R. Müller, F. Ludwig, F. H. Schacher, and S. Dutz, „Preparation of Core-Shell Hybrid Materials by Producing a Protein Corona around Magnetic Nanoparticles”, Nanoscale Research Letters 10, 282-1 - 11 (2015)
 
Kontakt
Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik
Technische Universität Braunschweig
Hans-Sommer-Straße 66
D-38106 Braunschweig
 
Internet
http://www.emg.tu-bs.de 

S. Mayr: Plasmasynthetisierte magnetische Nanopartikel arretiert in strahlungsoptimierten Hydrogelen: Optimierung in Richtung eines biologisch abbaubaren medizinischen Aktuators (PARTACT)

Beschreibung
Magnetisch schaltbare Materialien, die auf ein extern angelegtes homogenes Magnetfeld mit einer wohldefinierten reversiblen Formänderung reagieren, besitzen ein großes Potential für Anwendung in kontaklosen Schaltelementen. Diese können beispielsweise in den Ingenieurwissenschaften oder der Biomedizin Anwendung finden [1,2]. In diesem Projekt werden Komposite aus magnetisch anisotropen Nanopartikeln mit Kern-Schale-Struktur und Hydrogelen untersucht, mit dem Ziel einen biokompatiblen und -degradierbaren Aktuatorprototyp für die regenerative Medizin herzustellen. Dabei spielt die bestrahlungsunterstützte Quervernetzung der Komposite eine zentrale Rolle. Konkret werden folgende Schritte zu diesem Ziel führen:

i) Durch gepulste plasmaunterstützte Inertgaskondensation, können form-, größen- und strukturoptimierte Nanopartikel synthetisiert werden. Dabei sind Formen, die zu einer großen magnetischen Anisotropie führen, von besonderem Interesse; sie reichen von Stäben, über Scheiben bis hin zu Dreiecken [3]. Biokompatibilität der Nanopartikel wird dabei durch eine optionale Beschichtungstrategie sichergestellt [4].

ii) Die Eigenschaften von Hydrogelen werden durch energiereiche Bestrahlung optmiert, was insbesondere die Modifizierung der Vernetzungsdichte, sowie der damit im Bezug stehenden thermischen und mechanischen Eigenschaften beinhaltet.

iii) Die Verteilung und Arretierung der Nanopartikel im Hydrogel werden optimiert im Bezug auf die gewünschte mechanische Auslenkung in homogenen und inhomogenen magnetischen Feldern.

Alle Bereiche i) – iii) geschehen in enger Zusammenarbeit mit den anderen Teilnehmern am SPP, insbesondere im Bezug auf Synthese, Charakterisierung und Interpretation / Modelierung.
 

(Top) Au/Ni core-shell nanoparticles. (Bottom) Deflection of a nanoparticle/hydrogel composite in a magnetic field. 
Projektleiter
Prof. Dr. Stefan G. Mayr, Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V.(IOM)& Universität Leipzig
 
Projektmitarbeiter
Emilia Wisotzki, Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V.(IOM)& Universität Leipzig
 
Förderzeitraum
2013 - 
Publikationen
[1] Y. Ma, A. Setzer, J. W. Gerlach, F. Frost, P. Esquinazi, and S. G. Mayr. Adv. Funct. Mater., 22(12):2529–2534, 2012.
[2] M. Zink, F. Szillat, U. Allenstein, and S. G. Mayr. Adv. Funct. Mater., 23(11):1383-1391, 2012.
[3] R. Werner, T. Höche and S.G. Mayr, Cryst. Eng. Comm. 13 (2011) 3046.
[4] M. Hennes, J. Buchwald and S. G. Mayr. CrystEngComm, 14:7633–7638, 2012.
[5] M. Hennes, A. Lotnyk and S. G. Mayr. Beilstein J. Nanotechnol, 5:466-475, 2014.
[6] E. I. Wisotzki, M. Hennes, C. Schuldt, F. Engert, W. Knolle, U. Decker, J. A. Käs, M. Zink and S. G. Mayr. J. Mater. Chem. B., 2:4297-4309, 2014.
 
Kontakt
Universität Leipzig
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung
Permoserstr. 15
04318 Leipzig 
Internet
www.uni-leipzig.de/~agmayr/ 

G. Monkman: Dielektrisches Verhalten von magnetischen Hybridmaterialien

Beschreibung
Die Entwicklung von Sensoren und Aktoren auf der Basis von magnetoaktiven Polymeren setzt die Bestimmung der elektrischen Eigenschaften der Polymere in Verbindung mit den verwendeten Partikeln voraus. Die Änderungen der dielektrischen Charakteristik des Materials ist hierbei ein wesentlicher Punkt zur Auswertung des Materialverhaltens unter der Einwirkung von äußeren magnetischen und elektrischen Feldern.
Grundsätzlich werden dadurch auch höhere Anforderungen an die verwendeten Proben gestellt, da ein einfaches Gussverfahren nicht mehr genügt. Im Rahmen des Projektes wurde daher ein geeignetes 3D-Druckverfahren entwickelt, welches eine komplexe Strukturierung und einen schichtweisen Aufbau von Proben erlaubt. Durch die Einbringung nicht-magnetischer, magnetischer und elektrisch leitfähiger Bereiche, lässt sich das Verhalten in äußeren Feldern sehr gut definieren. Die Erweiterung des Druckverfahren um dynamische und statische Felder erlaubt eine Verschiebung sowie ein Pinning der Partikel während der Vernetzungsphase und erweitert dieses Herstellungsverfahren um nochmals drei Freiheitsgrade, aus dem ein 6D-Druckverfahren resultiert.
Messungen an diesen Proben sind durch die hohe Anzahl der Materialparameter komplex und finden daher in verschiedenen messtechnischen Bereichen statt, um den Einfluss auf das Material zu untersuchen. Die mechanische Verformung und Last und Feldeinfluss, die spektrale Absorption und Transmission in elektromagnetischen Wellenbereichen und die Änderung der elektrischen Parameter werden bestimmt. Die Ergebnisse aus diesen Daten fließen in das zukünftige Probendesign und die Materialwahl ein, wodurch die Entwicklung von Sensoren und Aktoren vorangetrieben werden soll.
 

Magnetoactive electret demonstrating adhesion to ferromagnetic, diamagnetic, non-magnetic and electrically conducting and non-conducting materials 
Projektleiter
Prof. Dr. Gareth Monkman, OTH Regensburg 
Projektmitarbeiter
Dirk Sindersberger (Dipl.-Phys.), OTH Regensburg
Andreas Diermeier (M.Sc.), OTH Regensburg 
Förderzeitraum
2013 -  
Publikationen
[1] Zimmermann. K, V. Böhm, T. Kaufhold, J. Chavez Vega, T. Becker, S.
Odenbach, T. Gundermann, M. Schilling, M. Martens - Investigations and simulations on the mechanical behavior of magneto-sensitive elastomers in context with soft robotic gripper application. Problems in Mechanics - Scientific Journal of IFToMM, ISSN 1512-0740, 65, 4, pp. 13-26, 2016.
[2] Monkman, G.J., D. Sindersberger, A. Diermeier, & N. Prem - The Magnetoactive Electret - Smart Materials and Structures – IOP, accepted 11.05.2017.
[3] Diermeier. A, D. Sindersberger, G.J. Monkman - Magneto-active polymer actuator - Actuator'16, pp286-289, Bremen 2016.
[4] Prem. N & G.J. Monkman - Properties of Magnetoactive Polymers and Polydimethylsiloxane with Electroconductive Particles - ARC Conference 2017.
 
Kontakt
Prof. Dr. Gareth Monkman
Fakultät Elektro- und Informationstechnik
Mechatronic Research Unit
Seybothstraße 2

93053 Regensburg
 
Internet
http://www.mechatronics.org 

R. Müller: Strukturierung von Magnetpartikel-dotierten Biopolymeren durch magnetisch induzierte Matrix-Partikel-Wechselwirkungen

Beschreibung
Ziel des Projekts ist es, Eigenschaften biokompatibler Hyb-ridmaterialien aus definiert erweichenden Biopolymeren, ins-besondere Dextranestern mit definierter Struktur und Magnet-nanopartikeln (MNP) durch Wechselwirkung mit Magnetfeldern unter Nutzung von Matrix-Partikel-Wechselwirkung ferngesteu-ert einzustellen. Es wird erforscht, wie eine solche Wechselwir-kung genutzt werden kann, um eine lokale Anreicherung der Partikel bzw. eine strukturelle - und damit magnetische - Aniso-tropie zu generieren.

Durch eine derartige anisotrope Anordnung magnetischer Teil-chen in einem Magnetpartikel-Dextranester-Hybridmaterial bzw. deren gezielte Anreicherung in Oberflächennähe in Abhängig-keit von der Dextranesterstruktur (Kettenlänge, Substitutions-grad) können Oberflächeneigenschaften wie Topographie, Oberflächenspannung und Oberflächenenergie gezielt verän-dert werden. Die makroskopische richtungsabhängige Beein-flussung resultiert in definierten anwendungsrelevanten Eigen-schaften wie spezifische Absorptionsrate (d.h. Heizverhalten im magnetischen Wechselfeld), Rauigkeit, Benetzbarkeit und mechanische Eigenschaften. Dafür wird die Modifizierung der Hybridmaterialien durch Einwirkung von statischen und oszillie-renden Magnetfeldern studiert. Weiterhin wird untersucht, in wieweit im Matrixmaterial Neuorientierungen wie Phasensepara-tion oder Kristallisation stattfindet bzw. hervorgerufen werden können. Die neu gebildeten Kompositproben werden mittels optischer Spektroskopie, spezieller Raman-Messungen, ver-schiedener mikroskopischer Techniken wie Magnetkraftmikro-skopie, elektronenmikroskopischen und magnetischen Metho-den sowie die Änderung der Oberflächenenergie charakteri-siert. Bei erfolgreicher Umsetzung dieses Konzeptes erlaubt diese Methodik, um Biofilme oder Zellverbünde auf derartigen Oberflächen gezielt zu beeinflussen, was einen Durchbruch für die personalisierte Medizin bezüglich Implantaten und ihrer Verträglichkeit bedeuten würde.
 

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme vom Querschnitt einer Kompositschicht nach dem Anlegen eines statischen Magnetfeldgradienten 
Projektleiter
Dr. Robert Müller, IPHT Jena
 
Projektmitarbeiter
N.N.
 
Förderzeitraum
2013 -  
Publikationen
[1] M. Zhou, T. Liebert, R. Müller, A. Dellith, Ch. Gräfe, J. Clement, T. Heinze, Biomacromolecules 16, 2308−2015, (2015)
[2] A. Z. Samuel, M. Zhou., R. Mueller, T. Liebert., T. Heinze, H. Hamaguchi, Analytical Chemistry, 88, 4644−4650, (2016)
[3] R. Müller, M. Zhou, A. Dellith, T. Liebert, T. Heinze, dx.doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.09.031 
Kontakt
Institute for Organic Chemistry and Macromolecular Chemistry
Center of Excellence for Polysaccharide Research
Friedrich Schiller University of Jena
Humboldtstrasse 10
D-07743 Jena
 
Internet
http://www.agheinze.uni-jena.de 

S. Odenbach: Magnetorheologisches Verhalten magnetischer Hybridmaterialien

Beschreibung
Das Verständnis des magnetorheologischen Verhaltens magnetischer Hybridmaterialien (mHM), ist zentral von einem mikroskopischen Strukturverständnis getragen, das mikrostrukturelle Veränderungen mit Veränderungen der Materialeigenschaften korreliert.
Ziel dieses Vorhabens ist es, die experimentelle Brücke zwischen Mikrostruktur und rheologischem Verhalten zu schlagen und damit den theoretisch arbeitenden Gruppen grundlegende Informationen sowohl zur Mikrostruktur, als auch zum magnetfeldabhängigen Materialverhalten zu liefern. Zur Erreichung dieser Ziele kombiniert das Vorhaben magnetorheologische Untersuchungen, mit Mikrostrukturuntersuchungen mittels Röntgen-Mikrotomographie.
Die tomographische Ermittlung der inneren Struktur der mHM zielt auf die Bestimmung der von den magnetischen Partikeln im Material gebildeten Strukturen und ihre Veränderung z.B. durch die Wirkung magnetischer Felder und mechanischer Lasten. Durch die Auflösung einzelner Partikel in der Struktur sind direkte Vergleiche mit molekulardynamischen Simulationen möglich die zu einem fundierten Materialverständnis führen sollen. Darüber hinaus können die entsprechenden Daten sowohl zur Validierung theoretischer Ansätze für die Materialgesetze, als auch als Eingangsdaten für Simulationen verwendet werden Auf diese Weise sollen im Rahmen des Schwerpunktprogramms skalenübergreifend von der Mikroebene bis zum makroskopischen Material die Materialeigenschaften und ihre Kontrolle verstanden werden. 

Röntgentomographische Aufnahme magnetischer Partikel in einem anisotropen magnetischen Elastomer (oben) und Positionsänderungen magnetischer Partikel in einem isotropen Elastomer zur Bildung von Ketten unter Feldeinfluß (unten). 
Projektleiter
Prof. Dr. Stefan Odenbach, TU Dresden
 
Projektmitarbeiter
Malte Schümann, TU Dresden
 
Förderzeitraum
2013 - 
Publikationen
[1] Arantes, F.; Odenbach, S. (2015) „The magnetoviscous effect of micellar solutions doped with water based ferrofluids“ Journal of Magnetism and Magnetic Materials 390, 91 - 95
[2] Schümann, M.; Günther, S.; Odenbach, S. (2014) „The effect of magnetic particles on pore size distribution in soft polyurethane foams“ Smart Mater. Struct. 23, 075011
[3] Pessot, G.; Cremer, P.; Borin, D. Y.; Odenbach, S.; Löwen, H.; Menzel, A. M. (2014) „Structural control of elastic moduli in ferrogels and the importance of non-affine deformations“ The Journal of Chemical Physics 141, 12, 124904-1 - 124904-10

 
Kontakt
TU Dresden
Fakultät Maschinenwesen
Institut für Strömungsmechanik
Professur für Magnetofluiddynamik, Mess- und Automatisierungstechnik
George-Bähr-Str.3
01069 Dresden
 
Internet
http://www.magnetofluiddynamik.de 

T. Scheibel: Hybridfasern und -vliesstoffe aus Spinnenseide und magnetischen Na-nopartikeln als bio-inspirierte Formgebungs- und Filtersysteme

Beschreibung
In diesem Projekt sollen die wissenschaftlichen und technologi-schen Grundlagen geschaffen werden, um neuartige bio-inspirierte Formgebungssysteme auf Basis von hybriden magnetisierten Spinnenseidenfasern zu etablieren. Die zugrundeliegenden Strukturbausteine sind eigens dafür designte, rekombi-nant hergestellte Spinnenseidenproteine, die mit funktionalisierten magnetischen Nanopartikeln gezielt chemisch gekoppelt und modifiziert werden können. Auf diese Weise ist die Herstellung von aktiven Materialien möglich, deren innere Struktur sich in einem äußeren Magnetfeld deformieren lässt. Basierend auf den Eigenschaften der zugrundeliegenden Spinnenseidenprote-ine können nanoskopische, mikroskopische und makroskopische Fasern und Fasermatten mit einstellbarem Verhalten kon-trolliert hergestellt werden. Bei den mit magnetischen Nanopartikeln gekoppelten Spinnenseidenmaterialien können u. a. die Porengrößen von Fasermatten in Magnetfeldern gezielt angepasst werden.  
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme magnetischer Partikel in elektrogesponnen Fasern. 
Projektleiter
Prof. Dr. Thomas Scheibel, Universität Bayreuth
 
Projektmitarbeiter
Carolin Grill, Universität Bayreuth
 
Förderzeitraum
2013 -  
Publikationen
[1] G. Lang, S. Jokisch, T. Scheibel, J. Vis. Exp., 2013, 75, e50492
[2] A. Leal-Egana, G. Lang, C. Mauerer, et al. Adv. Biomater., 2012, 14, B67
[3] M. Humenik, T. Scheibel ACS Nano, 2014, 8, 1342
[4] A. Heidebrecht, L. Eisoldt, J. Diehl, et al. Adv. Mater., 2015, 27, 2189 
Kontakt
Universität Bayreuth
Lehrstuhl für Biomaterialien
Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Gebäude FAN-D, Universität Bayreuth
Universitätsstraße 30
95440 Bayreuth
 
Internet
https//:www.fiberlab.de 

A. Schmidt: Magnetomechanische Kopplung von Eindomänenpartikeln in viskoelastischen polymeren Matrizen für die Aktuation und als nanorheologische Sonden

Beschreibung
In diesem Projekt geht es um das grundlegende Verständnis der Wechselwirkung zwischen einer Polymermatrix und dispergierten Partikeln auf der Längenskala der Grenzfläche und der Grenzphase zwischen diesen, sowie der Parameter, die diese beeinflussen.
Dazu wird ein Baukastensystem aus Hybridmaterialien, bestehend aus einer polymeren Matrix und einer nanoskopischen magnetischen Sonden- oder Aktuatorkomponente entwickelt und analysiert. Die angestrebten Partikel-Polymermatrix-Systeme weisen einen variierenden Grad an (dynamischer) Vernetzung der Matrixpolymere sowie unterschiedliche Kopplungsmechanismen zwischen den Partikeln und den Polymersegmenten auf. Dabei besteht das vorgestellte Modellsystem aus (elongierten) Eindomänenpartikeln und Poly(ethylenoxid)-Lösungen bzw. –Gelen. Von diesen Materialien können die (magneto)mechanischen Eigenschaften zwischen rein elastischen Gelen und viskosen Fluiden über das gesamte viskoelastische Spektrum variiert werden. Mittels der Modifizierung der Partikeloberfläche werden die Wechselwirkungen zwischen Partikel und der Polymermatrix eingestellt. Dabei können die Partikel entweder physikalisch oder chemisch in die Polymermatrix eingebaut werden. Auf diese Weise dienen die Partikel einerseits als Sonden für die magnetomechanische Kopplung auf der Nanometerskala, und andererseits als Aktoren für die feldgesteuerte Manipulation von Materialeigenschaften. 

Hybridstrukturen unterschiedlicher Architektur: a) partikelvernetztes Gel, b) konventionelles Ferrogel, c) Polymerlösung d) dynamisches Netzwerk. 
Projektleiter
Prof. Dr. Annette M. Schmidt, Universität zu Köln
 
Projektmitarbeiter
Melissa Hermes, Universität zu Köln
Matthias Kundt, Universität zu Köln
Eric Roeben, Universität zu Köln
 
Förderzeitraum
 
Publikationen
Backes, S.; Witt, M.; Roeben, E.; Kuhrts, L.; Aleed, S.; Schmidt, A. M.; von Klitzing, R. (2015) „Loading of PNIPAM Based Microgels with CoFe2O4 Nanoparticles and their Magnetic Response in Bulk and at Surfaces“ The Journal of Physical Chemistry B
Remmer, H.; Dieckhoff, J.; Tschöpe, A.; Roeben, E.; Schmidt, A.M.; Ludwig, F. (2015) „Dynamics of CoFe2O4 Single-Core Nanoparticles in Viscoelastic Media“ Physics Procedia
Landers, J.; Roeder, L.; Salamon, S.; Schmidt, A.M.; Wende, H. (2015) „Particle-matrix interaction in cross-linked PAAm-hydrogels analyzed by Mössbauer spectroscopy“ The Journal of Physical Chemistry C 
Kontakt
Universität zu Köln
Institut für Physikalische Chemie
Luxemburger Str. 116
D-50939 Köln
 
Internet
http://www.nanomat.uni-koeln.de 

M. Schrödner: Herstellung, Charakterisierung und Formgebung magnetoaktiver thermoplastischer Elastomere fokussiert auf Anwendungen in der Sensorik und Aktorik

Beschreibung
Intelligente Materialien für multifunktionale und funktionsintegrierende Geräte gewinnen in der Forschung zunehmend an Bedeutung. Hierzu zählen Hybridmaterialien, deren Komponenten durch mikroskopische Wechselwirkung in makroskopischen, magnetisch feldgesteuerten mechanischen Eigenschaften resultieren. Abgeleitete Applikationen können monolithische Sensor-Aktor-Systeme sein.
Das Projekt verfolgt das Ziel, eine Brücke zu schlagen zwischen der reinen Materialsynthese und der technischen Umsetzung. Erst durch die fertigungstechnische Verarbeitbarkeit wird das Material ein Werkstoff. Formgebung und die Einbindung in industrielle Prozesse sind ebenso harte Erfolgskriterien.
Basierend auf den Erfahrungen mit elektroaktiven Elastomeren plant der Antragssteller zunächst die Adaption der Prozesse auf magnetoaktive thermoplastische Elastomere. Dies schließt Auswahl und Tests von Magnetpartikeln, Elastomermatrices und Additiven ein. Charakterisierung der mechanisch- und magnetisch-dynamischen Materialeigenschaften sowie der produktionsrelevanten Werkstoffeigenschaften (Partikelverteilung, Viskosität, etc.) schließen sich an. Zunächst ist die Abformung einfacher Geometrien (Fasern, Platten) und deren Füge- und Verbindungstechnik (Verweben bzw. Substratkontaktierung) geplant mit dem Fokus auf manipulativ-sensorische Anwendungen. Konkret werden Untersuchungen zu cilienstrukturierten Wirkflächen und zu taktilen Sensorgeweben gefahren, deren mechanische Nachgiebigkeit magnetisch steuerbar ist.
 

Sensor-Aktor-System mit magnetisch kontrollierten mechanisch nachgiebigen Funktions- und Kontaktflächen für taktiles Greifen 
Projektleiter
Dr. Mario Schrödner
 
Projektmitarbeiter
Alexander Märten
 
Förderzeitraum
2013 - 2015 
Publikationen
[1] C. Schilling, M. Schrödner, W. Kempf, M. Olivera, H. Witte, S. Köhring, M. Fremerey: „IPMCs – auf dem langen Weg zum künstlichen Muskel“, Tagungsband „Bionik: Patente aus der Natur“, Bremen 2010, S. 342-46
[2] Huba, A., Muka, I., Schrödner, M., Schilling, C., Köhring, S., Witte, H.: “Results of Modeling the Mechanical Behavior of an Ionic Polymer-Metal-Composite for Assembling as an Actuation System”, 56th Internat. Sci. Colloqu., Ilmenau, 2011
[3] K. Zimmermann , I. Zeidis, V. Böhm, T. Kaufhold, T. Volkova, A. Waske, M. Krautz , M. Schrödner, J. Popp, M. Kästner, C. Spieler, Problems of Mechanics 4(57), 2014, 23-41
 
Kontakt
Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e.V.
Breitscheidstraße 97
07407 Rudolstadt
 
Internet
http://www.titk.de 

R. Stannarius: Magneto-optisch schaltbare anisotrope Farbstoffsuspensionen

Beschreibung
Ziel ist die Kombination zweier erfolgreicher Konzepte der Soft-Matter-Physik, magnetischer Fluide und flüssiger Kristalle, um eine neue Klasse von Materialien für magneto-optisches Schalten und magneto-mechanische Effekte zu entwickeln. Suspensionen magnetischer Partikel haben bereits vielfältige Anwendungen gefunden, flüssige Kristalle (LC) wiederum vereinen Fluidität mit spontaner Ordnung und Anisotropie. Bemühungen, stabile ferro-nematische Suspensionen mit molekularen LC herzustellen, waren bisher aus verschiedenen Gründen wenig erfolgreich.

Wir nutzen einen neuen, alternativen Zugang, ausgehend von Suspensionen anisotroper Pigment-Kristallite, die nematische Phasen ausbilden können [1]. Diese Suspensionen sind mechanisch und elektrisch charakterisiert worden [2,3] und stabile Suspensionen mit darin dispergierten ferromagnetischen Partikeln wurden hergestellt. Diese paramagnetischen Suspensionen zeigen in starken magnetischen Feldern (mehrere Tesla) ungewöhnliche magneto-optische Effekte, bei denen ferromagnetische und diamagnetische Drehmomente in Konkurrenz stehen [4]. Aber bereits in schwachen Feldern in der Größenordnung von einigen Millitesla können wir in verdünnten (isotropen) Suspensionen anisometrischer Kristallite, in denen ferromagnetische Partikeln dispergiert wurden, relevante magneto-optische Effekte wie zum Beispiel ungewöhnlich starke magnetisch induzierte Doppelbrechung nachweisen, die durch einen ‚Command‘-Effekt der dispergierten magnetischen Partikel auf die Kristallite hervorgerufen werden.

Ziel der weiteren Arbeiten ist die Ausdehnung der Untersuchungen auf Suspensionen mit höheren Konzentrationen von Pigmentpartikeln, die spontan nematische Phasen ausbilden. Gleichzeitig werden rheologische Untersuchungen in Magnetfeldern an diesen Systemen durchgeführt, um die Wechselwirkung zwischen magnetisch und scherinduzierter Reorientierung der Kristallite zu analysieren.

Gemeinsam mit einem ukrainischen Kooperationspartner (Y. Reznikow) studieren wir magneto-optische und elektro-optische Phänomene an den genannten Systemen.  

Polarisationsmikroskopische Aufnahme einer nematischen Suspension (etwa 200 nm lange Pigmentkristallite in einem apolaren Lösungsmittel) mit flussinduzierten Texturen des Direktorfeldes um Lufteinschlüsse. 
Projektleiter
Prof. Dr. Ralf Stannarius, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
 
Projektmitarbeiter
PD Dr. Alexey Eremin, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
DP Kathrin May, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

 
Förderzeitraum
2013 - 
Publikationen
[1] A. Eremin et al., Adv. Funct. Mater. 21 402 (2011)

[2] K. May et al. Electric-Field-Induced Phase Separation and Homogenization Dynamics in Colloidal Suspensions of Dichroic Rod-Shaped Pigment Particles. Langmuir 30 7070 (2014)

[3] K. May et al. Piezoelectric fiber mats containing polar rodshaped pigment particles. RSC Advances 4 44223 (2015)

[4] A. Eremin, R. Stannarius, Y. Geng, T. Ostapenko, P. K. Challa, J. T. Gleeson, A. Jakli, and S. Klein. Peculiarities of the magneto-optical response in dispersions of anisometric pigment nanoparticles. RSC Advances, 6 80666, (2016)

[5] Ingo Appel, Hajnalka Nadasi, Christian Reitz, Nerea Sebastiaan, Horst Hahn, Alexey Eremin, Ralf Stannarius, and Silke S. Behrens. Doping of nematic cyanobiphenyl liquid crystals with mesogenhybridized magnetic nanoparticles. Phys. Chem. Chem. Phys., in press, (2017)

[6] K. May, A. Eremin, R. Stannarius, B. Szabo, T. Börzsönyi, I. Appel, S. Behrens, and S. Klein. Exceptionally large magneto-optical response in dispersions of plate-like nanocrystallites and magnetic nanoparticles. J. Magn. Magn. Materials, 431 79, (2017).

[7] A. M. Storozhenko, R. Stannarius, A. O. Tantsyura, and I. A. Shabanova. Measurement of the torque on diluted ferrofluid samples in rotating magnetic elds. J. Magn. Magn. Materials, 431 66, (2017).

[8] K. May, A. Eremin, R. Stannarius, S. Peroukidis, S. Klapp, and S. Klein. Colloidal suspensions of rodlike nanocrystals and magnetic spheres under external magnetic stimulus: Experiment and molecular dynamics simulation. Langmuir, 32 5085, (2016)


 
Kontakt
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Universitätsplatz 2
Gebäude 16
39106 Magdeburg
 
Internet
www.ovgu.de/anp 

L. Trahms: Metrologie an magnetischen Hybridmaterialien für biomedizinische Anwendungen

Beschreibung
Biomedizinische Anwendungen von magnetischen Nanopartikeln (MNP) basieren auf der Wechselwirkung der MNP mit dem biologischem Gewebe, den Zellen oder dem Blutstrom. Das Ziel der Anwendung ist dabei die Beeinflussung des Gewebes durch magnetische Gleich- oder Wechselfelder. Die magnetischen Nanopartikel dienen in diesem Prozess als lokale Vermittler oder Aktuatoren. Beispiele für diese Anwendungen sind: die gezielte Erwärmung von Tumorgewebe (Hyperthermie, magnetische Thermoablation), Kontrastierung für die Bildgebung (MRI, Magnetic Particle Imaging) und gezielte Anreicherung von Therapeutika oder Genmaterial (magnetisches Drug Targeting, Magnetofektion).
Magnetische Messverfahren unterstützen die Entwicklung dieser Anwendungen, da sie in vivo und nicht invasiv anwendbar sind und nicht auf die optische Durchlässigkeit des Gewebes angewiesen sind. Dabei werden hohe Anforderungen an die Nachweisempfindlichkeit gestellt, denn aus Gründen der Bioverträglichkeit können meist nur niedrige MNP-Konzentrationen appliziert werden.
In diesem Vorhaben werden insbesondere Partikel-Matrix-Wechselwirkungen untersucht, die sich auf den Transport und die Erwärmung in ruhenden und strömenden Medien beziehen. Dabei fokussiert sich das Projekt auf physikalisch wohl definierte Hybridsysteme aus MNP und einer Matrix, die als Modellsysteme für die medizinische Anwendung dienen können. Die Untersuchungen sollen dabei in enger Zusammenarbeit mit medizinischen Partnern durchgeführt werden.
 

Kaninchenphantom für quantitative bildgebende Messungen an magnetischen MNP-Matrix-Hybridmaterialien. 
Projektleiter
Dir. u. Prof. Dr. Lutz Trahms, Physikalisch-Technische Bundesanstalt Berlin
 
Projektmitarbeiter
Dietmar Eberbeck, Physikalisch-Technische Bundesanstalt Berlin
Maik Liebl, Physikalisch-Technische Bundesanstalt Berlin
 
Förderzeitraum
2013 - 
Publikationen
[1] Wiekhorst, F., Steinhoff, U., Eberbeck, D., & Trahms, L. (2012). Magnetorelaxometry assisting biomedical applications of magnetic nanoparticles. Pharmaceutical Research, 29(5), 1189-1202.
[2] Wiekhorst, F., Liebl, M., Steinhoff, U., Trahms, L., Lyer, S., Dürr, S., & Alexiou, C. (2012). Magnetorelaxometry for In-Vivo Quantification of Magnetic Nanoparticle Distributions after Magnetic Drug Targeting in a Rabbit Carcinoma Model. In Magnetic Particle Imaging (pp. 301-305). Springer Berlin Heidelberg.
[3] Harms, C., Datwyler, A. L., Wiekhorst, F., Trahms, L., Lindquist, R., Schellenberger, E., ... & Farr, T. D. (2013). Certain types of iron oxide nanoparticles are not suited to passively target inflammatory cells that infiltrate the brain in response to stroke. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, 33(5), e1-e9.
[4] Wenzel, D., Rieck, S., Vosen, S., Mykhaylyk, O., Trueck, C., Eberbeck, D., ... & Fleischmann, B. K. (2012). Identification of magnetic nanoparticles for combined positioning and lentiviral transduction of endothelial cells. Pharmaceutical research, 29(5), 1242-1254.
 
Kontakt
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Fachbereich 8.2
Abbestr. 2-12
10587 Berlin
 
Internet
http://www.ptb.de/cms/fachabteilungen/abt8/fb-82.html 

A. Tschöpe: Feldinduzierte Rotationsbewegung ferromagnetischer Nanostäbe in einer viskoelastsichen Matrix

Beschreibung
Die magnetisch-elastische Kopplung zwischen Partikel und Matrix ist entscheidend für die Eigenschaften magnetischer Hybridmaterialien.

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens besteht darin, die Wirkung verschiedener Einflussfaktoren am Beispiel der Rotationsbewegung ferromagnetischer Nanopartikel systematisch zu untersuchen und geeignete Ansätze für eine quantitative Modellierung zu erarbeiten. Ausgangspunkt ist die Charakterisierung des Einzelteilchenverhaltens im Grenzfall stark verdünnter Dispersionen. Bei den als Modellpartikel verwendeten Nickelnanostäben handelt es sich um uniaxial ferromagnetische Eindomänenteilchen. Die zusätzliche optische Anisotropie ermöglicht die Erfassung der Rotationsbewegung durch Transmissionsmessungen mit linear polarisiertem Licht bis zu einem Volumenanteil der Stäbe von weniger als 10-6. An diesen verdünnten Systemen wird der Einfluss der chemischen Partikel-Matrix Wechselwirkung, der magnetischen Anisotropie sowie die Abweichung vom linear-elastischen Verhalten bei großen Rotationswinkeln untersucht. Änderungen des Rotationsverhaltens, verursacht durch eine Erhöhung des Volumenanteils und/oder des magnetischen Momentes der Stäbchen sowie durch feldinduzierte Aggregation der Partikel, werden im Hinblick auf dipolare und elastische interpartikuläre Wechselwirkungen analysiert. Die Dynamik der Rotationsbewegung der Nanostäbe in zeitveränderlichen Magnetfeldern wird mit den lokalen viskoelastischen Eigenschaften der Matrix in Beziehung gesetzt.
 

Transmissionselektronen-mikroskopische Aufnahme ferromagnetischer Nickelnanostäbe. 
Projektleiter
Dr. Andreas Tschöpe, Universität des Saarlandes
 
Projektmitarbeiter
Kerstin Birster, Universität des Saarlandes
Micha Gratz, Universität des Saarlandes
Christoph Schopphoven, Universität des Saarlandes
 
Förderzeitraum
2013 - 
Publikationen
[1] Bender, P.; Krämer, F.; Tschöpe, A.; Birringer, R. (2015) „Influence of dipolar interactions on the angular-dependent coercivity of nickel nanocylinders“ J. Phys. D: Appl. Phys. 48 , 145003
[2] Bender, P.; Tschöpe, A.; Birringer, R. (2014) „Magnetization measurements reveal the local shear stiffness of hydrogels probed by ferromagnetic nanorods“ J. Magn. Magn. Mater. 372 , 187 - 194
[3] Roeder, L.; Bender, P.; Kundt, M.; Tschöpe, A.; Schmidt, A. M. (2015) „Magnetic and geometric anisotropy in particle-crosslinked ferrohydrogels“ Physical Chemistry Chemical Physics 17, 2 , 1290 - 1298
[4] Tschöpe, A.; Kirster, K.; Trapp, B.; Bender, P.; Birringer, R. (2014) „Nanoscale rheometry of viscoelastic soft matter by oscillating field magneto-optical transmission using ferromagnetic nanorod colloidal probes“ J. Appl. Phys. 116 , 184305
[5] Remmer, H.; Dieckhoff, J.; Tschöpe, A.; Roeben, E.; Schmidt, A.M.; Ludwig, F. (2015) „Dynamics of CoFe2O4 Single-Core Nanoparticles in Viscoelastic Media“ Physics Procedia

 
Kontakt
Universität des Saarlandes
Fachrichtung 7.3 - Technische Physik
Gebäude D2 2
Postfach 15 11 50
D-66041 Saarbrücken
 
Internet
www.nano.uni-saarland.de 

J. Wagner: Dynamik formanisotroper magnetischer Partikel in komplexen Matrices

Beschreibung
Ziel des Projektes ist die Untersuchung dynamischer Eigenschaften von formanisotropen magnetischen Partikeln mit einstellbarem Halbachsenverhältnis in komplexen Matrices bestehend aus kolloidalen Partikeln und Hydrogelen. Hämatit-Partikel mit definierter Topologie richten sich bereits bei Flussdichten von wenigen Millitesla aufgrund ihrer magnetischen Anisotropie mit der Längsachse senkrecht zu einem externen Magnetfeld aus [1]. Da die Reibungskoeffizienten für diffusive Bewegungen parallel bzw. senkrecht zur Partikelachse differieren [2], kann mit der feldinduzierten Ausrichtung der Partikel der Fließwiderstand von Suspensionen solcher Partikel beeinflusst werden.
Kolloidale Suspensionen aus geladenen Polymerpartikeln sowie Hydrogele mit geladenen Copolymeren fungieren als Matrices, deren Wechselwirkungen mit den magnetischen Partikeln über Volumenbruch und Ionenstärke eingestellt werden können.
Im Fokus stehen Korrelationen zwischen mesoskopischer Struktur und Dynamik sowie feldinduzierten Änderungen makroskopischer Eigenschaften wie der komplexen Viskosität von Hybridmaterialen. Der Zugang zur mesoskaligen Struktur und Dynamik erfolgt mittels statischer und dynamischer Streumethoden, während zur Charakterisierung makroskopischer Eigenschaften magnetorheologische Experimente eingesetzt werden.
 

TEM Aufnahme spindelförmiger Hämatitpartikel (oben) ; Kleinwinkelstreuung von ausgerichteten, spindelförmigen Partikeln (unten) 
Projektleiter
Prof. Dr. Joachim Wagner, Universität Rostock
 
Projektmitarbeiter
Annemarie Nack, Universität Rostock
 
Förderzeitraum
 
Publikationen
[1] C. Märkert, B. Fischer, J. Wagner, Small-angle scattering from spindle-shaped colloidal hematite particles in external magnetic fields, Journal of Applied Crystallography, 44, 441-447 (2011)
[2] J. Wagner, C. Märkert, B. Fischer, L. Müller, Direction Dependent Diffusion of Aligned Magnetic Rods by Means of X-Ray Photon Correlation Spectroscopy, Phys. Rev. Lett., 110, 048301 (2013)
 
Kontakt
Universität Rostock
Physikalische Chemie - Komplexe molekulare Systeme
Dr.-Lorenz-Weg 1
D-18051 Rostock
 
Internet
www.wagner.chemie.uni-rostock.de 

Th. Wallmersperger: Modellierung und Finite-Elemente-Simulation des chemo-magneto-mechanischen Verhaltens von magnetischen Polymergelen

Beschreibung
Ziel des Projektes ist es, durch Modellierung und Simulation des (chemo-)magneto-mechanischen Verhaltens von Polymergelen, die Vorgänge innerhalb des Materials besser verstehen zu können sowie die Beschreibung von Aktoren für einen möglichen Einsatz in der Medizintechnik oder in der Mikroelektronik, etc. zu ermöglichen. Hierbei ist insbesondere die Interaktion der magnetischen Partikel mit einem von außen angelegten magnetischen Feld, der Einfluss der magnetischen Partikel auf das magnetische Feld im Hydrogel sowie die Interaktion der Partikel mit dem Polymernetzwerk und daraus resultierend die mechanische Deformation des Gels zu untersuchen. Zusammenfassend lassen sich die in Abhängigkeit vom angelegten Magnetfeld resultierenden Deformationen des Gels, beziehungsweise die erreichbaren Stellkräfte z.B. eines Hydrogelaktors bestimmen.
Im Rahmen des Projektes erfolgt eine Modellierung des magneto-mechanischen Verhaltens mittels der Methode der Finiten Elemente.
Es erfolgt eine Überprüfung und Weiterentwicklung der entwickelten Formulierung an Hand grundlegender magneto-mechanischer Testfälle für magnetosensitive Materialien im Allgemeinen und für magnetische Polymergele im Speziellen.
Durch eine Übertragung der Materialparameter von der Mikroskala können mittels Homogenisierung lokale Eigenschaften auf die Makroskala gebracht werden
Zusammenfassend lassen sich Erkenntnisse von der Mikroskala auf die Makroskala bringen und es kann die Qualität der entwickelten Formulierung stetig verbessert werden. Somit lassen sich mittels den (numerischen) Finite-Elemente-Untersuchungen viel versprechende Erkenntnisse hin zu einer Optimierung der Hydrogelaktoren für mögliche Anwendungen gewinnen.

 

a) Ferrogel bestehend aus Polymernetzwerk, magnetischen Partikeln und flüssiger Phase; b) Darstellung der einzelnen Volumenanteile (Polymernetzwerk, magnetische Partikel und Lösungsmittel) innerhalb eines Volumenelements; c) verschmierte Darstellung  
Projektleiter
Prof. Dr.-Ing. Thomas Wallmersperger, TU Dresden 
Projektmitarbeiter
N.N. 
Förderzeitraum
2013 - 
Publikationen
[1] Brummund, J.; Attaran, A.; Wallmersperger, T. (2015) „Development of a continuum model for ferrogels“ Physical Review E 
Kontakt
Technische Universität Dresden
Institut für Festkörpermechanik
01062 Dresden
 
Internet
http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_maschinenwesen/ifkm/mmfs 

A. Waske, J. Eckert: Strömungskontrolle mit porösen magnetischen Hybridmaterialien

Beschreibung
Das Ziel des Projektes „Strömungskontrolle mit porösen magnetischen Hybridmaterialien“ im Rahmen des SPP 1681 ist es, ein magnetisches Hybridmaterial, dessen Durchflusseigenschaften mithilfe eines Magnetfeldes steuerbar sind, zu entwickeln. Dazu soll ein Hybridmaterial aus formanisotropen magnetischen Mikropartikeln und einer elastische Matrix mit Kanälen hergestellt werden und dessen magnetische, mechanische und strömungsmechanische Eigenschaften untersucht werden. Die Veränderung der Kanaleigenschaften soll über das Verkippen des Magnetfeldes und der damit verbundenen Winkeländerung der Partikel erfolgen, welche wiederum die Matrix elastisch verformen. Durch Formänderung des Kanalquerschnitts (z.B. kreisförmig zu elliptisch) soll eine Verkleinerung des hydraulischen Durchmessers und ein infolgedessen ansteigender Druckabfall erzielt werden.
Die externe Steuerbarkeit der strömungsmechanischen Eigenschaften in einer solchen Membran könnte vielfältige Anwendungen haben, beispielsweise als Separator oder als Teil des Separators in einer Li-/Na-Ionen-Batterie, deren Permeabilität z.B. für den Ionentransport, im Falle einer übermäßigen Wärmeentwicklung der Batterie limitiert werden muss. In der ersten Förderperiode des SPP soll im Rahmen des vorliegenden Projekts die prinzipielle Machbarkeit eines solchen neuartigen magnetischen Aktormaterials gezeigt werden. Dazu werden neben der Herstellung des Komposits vor allem die Charakterisierung dessen morphologischer, magnetischer und strömungsmechanischer Eigenschaften einen Schwerpunkt bilden.
 

Prinzipskizze des Aktormaterials 
Projektleiter
Dr. Anja Waske, IFW Dresden
Prof. Dr. Jürgen Eckert, IFW Dresden
 
Projektmitarbeiter
Maria Krautz, IFW Dresden
 
Förderzeitraum
2013 - 2015 
Publikationen
[1] Zimmermann, K.; Zeidis, I.; Böhm, V.; Kaufhold, T.; Volkova, T.; Waske, A.; Krautz, M.; Schrödner, M.; Popp, J.; Kästner, M.; Spieler, C.: Mechanics of Actuators based on Magnetic Hybrid Materials with Application for Robotics, Fluid Control and Sensor Technology. Scientific Journal of IFToMM “Problems in Mechanics”, 57 (2014) 4, pp. 23-41, ISSN 1512-0740  
Kontakt
IFW Dresden
Helmholtzstr. 20
01069 Dresden
 
Internet
http://www.ifw-dresden.de/en/institutes/institute-for-complex-materials/ 

H. Wende: Mikroskopisches Verständnis der Patrikel-Matrix Wechselwirkung in magnetischen Hybridmaterialien mittels elementspezifischer Untersuchungen

Beschreibung
Die Wechselwirkung von magnetischen Partikeln mit der umgebenden Matrix in magnetischen Hybridmaterialien wie z.B. Elastomeren ist auf Längenskala nächster Nachbarabstände nicht zufriedenstellend verstanden. Um das Grundlagenverständnis auf dieser Längenskala zu verbessern, sollen in diesem Projekt magnetische Partikel, die in einer elastischen Matrix eingebettet sind, mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie an Synchrotronstrahlungsquellen und mit Mössbauerspektroskopie untersucht werden. Die Röntgenabsorptions¬spektroskopie und speziell der Röntgenzirkulardichroismus erlaubt die Analyse der elementspezifischen (spinselektiven) elektronischen Struktur [1]. Dadurch kann die Bindung der magnetischen Partikel an die Matrix und die magnetischen Eigenschaften an der Partikel-Matrix Grenzfläche genau charakterisiert werden (s. Abb.) [2]. Durch die Analyse der Mössbauerspektren, die im angelegten Magnetfeld (max. 5T) gemessen werden, soll durch die Bestimmung der Verkantung der magnetischen Oberflächenmomente (spin canting) ein besseres Verständnis der Wechselwirkung zwischen Partikeloberfläche und umgebender Matrix geschaffen werden. Sowohl die Röntgenabsorptionsspektren als auch die Mössbauerspektren können bei hohen angelegten Feldern gemessen werden. Damit ist es möglich, die Hybridmaterialien unter Funktionsbedingungen zu studieren. Zudem sollen durch temperaturabhängige Untersuchung der Mössbauerspektren im Nullfeld magnetische Relaxationsphänomene analysiert werden. In Kombination mit thermoremanenten Magnetisierungsuntersuchungen kann damit auf die magnetische Wechselwirkung der Partikel untereinander geschlossen werden. Durch die Modifikation der spezifischen Matrix und der Partikelkonzentration ist es dadurch möglich, sowohl den direkten magnetischen Austausch zwischen den Partikeln zu ermöglichen oder zu blockieren, als auch die magnetische Dipol-Dipolwechselwirkung durch Veränderung des Partikel-Partikel-Abstands zu beeinflussen. Das in diesem Projekt gewonnenen mikroskopische Verständnis soll durch den direkten Informationsaustausch mit den Gruppen, die die Hybridsysteme herstellen, genutzt werden, um neue Funktionalitäten der Hybridmaterialien zu generieren. 
Oben: Mittels Dichte¬funktional-theorie bestimmte Morphologie eines L10 geordneten FePt Nano-partikels in einer Al-Matrix [2]. Die Wechselwirkung mit der Al-Matrix führt zu einer starken Änderung der lokalen Struktur und damit der elektronischen Struktur. 
Projektleiter
Prof. Dr. Heiko Wende, Universität Duisburg-Essen
 
Projektmitarbeiter
Joachim Landers, Universität Duisburg-Essen
Samira Webers, Universität Duisburg-Essen
 
Förderzeitraum
2013 -  
Publikationen
[1] H. Wende (2004) „Recent advances in X-ray absorption spectroscopy“, Reports on Progress in Physics 67, 2105-2181.
[2] C. Antoniak et al. (2011) „A guideline for atomistic design and understanding of ultrahard nanomagnets“, Nature Communications 2, Article number: 528 .
[3] Landers, J.; Salamon, S.; Escobar Castillo, M.; Lupascu, D. C.; Wende, H. (2014) „Mössbauer Study of Temperature-Dependent Cycloidal Ordering in BiFeO3 Nanoparticles“ Nano Letters (Nano Lett.) 14, 11, 6061 - 6065
[4] Landers, J.; Stromberg, F.; Darbandi, M.; Schöppner, Ch.; Keune, W.; Wende, H. (2015) „Correlation of superparamagnetic relaxation with magnetic dipole interaction in capped iron-oxide nanoparticles“ Journal of Physics: Condensed Matter 27, 2, 026002-1 - 026002-11
 
Kontakt
Universität Duisburg-Essen
Fakultät für Physik
Experimentalphysik - AG Wende
Lotharstr. 1
47048 Duisburg
 
Internet
http://www.uni-due.de/physik/wende/ 

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

Beschreibung
Im Projekt soll der Einsatz von Hybridmaterialien, die sich aus magnetischen Partikeln als suspendierte Komponente und komplexen Trägermaterialien zusammensetzen, mit bzw. ohne reversibel veränderbaren Eigenschaften in Aktorsystemen untersucht und in Prototyplösungen für Lokomotions- und Manipulationszwecke umgesetzt werden. Die Anwendung von magneto-sensitiven Elastomeren ermöglicht Aktorsysteme mit adaptivem mechanischen Verhalten, resultierend aus der magnetisch kontrollierten Partikel-Matrix-Wechselwirkung. Aus Ingenieursicht zu erzeugende Charakteristika sind dabei u.a. die Möglichkeit zur Realisierung von komplexen Formänderungen, durch die Objektgestaltung und die Auslegung des Magnetfeldes bzw. die Steuerung der mechanischen Eigenschaften abhängig von der Lastgeschichte und den Umgebungsparametern. Ebenfalls zum Untersuchungsgegenstand werden Strukturen mit einer reversibel variablen, durch Magnetfelder kontrollierbaren, mechanischen Nachgiebigkeit.
Die Basis dafür ist die Vorabdefinition gewünschter Werkstoffeigenschaften und deren Charakterisierung auf Makroebene, da das methodische Vorgehen auf eine modellbasierte Lösung orientiert. Es werden Aktorsysteme untersucht, deren Fokus auf dem Wechselspiel zwischen Materialdeformation und mechanischer Bewegung, in Verbindung mit der Kontrolle und der Stabilität der Bewegung liegt. Ziel ist der modellbasierte Entwurf solcher mechanischen Strukturen für Lokomotion und Manipulation, die den Kontrollaufwand reduzieren.
 

FEM-Simulation der frequenzabhängigen Bewegungsrichtung eines Lokomotionssystems aus einem magneto-sensitiven Elastomer (Quelle: Böhm, TU Ilmenau, 2012) 
Projektleiter
Prof. Dr. Klaus Zimmermann, Technische Universität Ilmenau
 
Projektmitarbeiter
Tobias Kaufhold, Technische Universität Ilmenau
Tatiana Becker, Technische Universität Ilmenau
 
Förderzeitraum
2013 -  
Publikationen
[1] Zimmermann, K.; Zeidis, I.; Naletova, V.A.; Kalmykov, S.A.; Turkov, V.A.: Model of a Thin Rod with Viscoelastic Magnetizable Material in the Alternating Magnetic Field. Solid State Phenomena Vol. 190, 2012, pp 629-632
[2] Naletova, V. A.; Turkov, V.A.; Pelevina, D.A.; Rozin, A.V.; Zimmermann, K.; Popp, J.; Zeidis, I.: Behavior of a free surface of a magnetic fluid containing a magnetizable cylinder. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 324, 2012, pp. 1253-1257
[3] Naletova, V.A.; Merkulov, D.I.; Zeidis, I.; Zimmermann, K.: Deformation of a body with a magnetizable polymer in a uniform magnetic field. 9th Int. Confer. on Fundamental and Applied MHD, Thermo Acoustic and Space Technologies - pamir 2014, Riga, Latvia, June 16-20, 2014, Proc., Vol. 2, pp. 322– 325
[4] Zimmermann, K.; Zeidis, I.; Böhm, V.; Kaufhold, T.; Volkova, T.; Waske, A.; Krautz, M.; Schrödner, M.; Popp, J.; Kästner, M.; Spieler, C.: Mechanics of Actuators based on Magnetic Hybrid Materials with Application for Robotics, Fluid Control and Sensor Technology. Scientific Journal of IFToMM “Problems in Mechanics”, 57 (2014) 4, pp. 23-41, ISSN 1512-0740
 
Kontakt
TU Ilmenau
Fahgebiet Technische Mechanik
Max-Planck-Ring 12 (Haus F)
98693 Ilmenau
 
Internet
www.tu-ilmenau.de/tm/forschung/spp1681 

 
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