Magnetische Funktionsmaterialien – Institut für Anorganische Chemie

Die Arbeitsgruppe konzentriert sich auf die Grundlagen- und angewandte Forschung zu magnetischen Nanomaterialien und funktionalen Strukturen. Wir widmen uns der Synthese und Charakterisierung von magnetischen Nanopartikel-Kolloiden und deren Assemblierungen sowie der Struktur-Eigenschafts-Korrelation dieser Assemblierungen. Darüber hinaus erstreckt sich unser Forschungsinteresse auf die Untersuchung des dynamischen Verhaltens magnetischer Nanopartikel und ihrer Fähigkeit Wärme abzugeben, wenn sie hochfrequenten magnetischen Wechselfeldern ausgesetzt sind. Weitere Forschungsbereiche beinhalten magnetisch hervorgerufen Assemblierungsprozesse und ihre Auswirkungen auf die endgültige Struktur und die Eigenschaften sowie die Entwicklung von Anwendungen, die auf der induktiven Erwärmung magnetischer Nanopartikel basieren, von der Biomedizin bis zur Katalyse.

Unsere Forschung im Detail

Synthese magnetischer Nanopartikel und Funktionsstrukturen

Magnetische Charakterisierung

Magnetfeldhyperthermie

Kooperationen

Team

Publikationen

Lehrveranstaltungen

Synthese von magnetischen Nanopartikeln und funktionellen Strukturen

Fasziniert von der Vielseitigkeit und den sich abzeichnenden Eigenschaften magnetischer Materialien im Nanomaßstab, wie z. B. Superparamagnetismus, befassen wir uns in unserer Gruppe mit der Synthese und Charakterisierung dieser Materialien von den Nanopartikeln bis hin zu ihrer Selbstanordnung zu nanopartikelbasierten Gelen und ihrer Implementierung als Teil multifunktionaler Materialien. Interessanterweise können durch die Assemblierung von Nanopartikeln zu Gelen makroskopische Materialien mit hoher Porosität, großer Oberfläche und den Eigenschaften ihrer primären Bestandteile oder darüber hinaus erhalten werden, was ihre Verwendung in Anwendungen wie Katalyse, Sensorik oder Umweltsanierung ermöglicht.

Unsere Hauptinteressen sind:

Synthese von magnetischen Nanopartikel-Kolloiden

Herstellung von hochwertigen magnetische Nanopartikel in organischen oder wässrigen Medien mit unterschiedlicher Zusammensetzung, Größe, Form und Kern-Schale Struktur.
Oberflächenfunktionalisierung und Transfer in wässrige Medien für biomedizinische Anwendungen.
Auf Magnetismus basierende Selbstanordnung von Nanopartikeln zu anisotropen Strukturen.
Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und ihrer Heizwirkung.

Herstellung von magnetischen Nanopartikel-basierten Assemblierungen

Herstellung von magnetische Nanopartikel, die zu makroskopischen, selbsttragenden porösen Netzwerken assembliert werden, entweder in Form von Hydrogelen, Aerogelen oder Kryogelen und die Erforschung von neuen, extern herbeigeführten Gelierungsprozessen.
Nutzung der superkritischen Trocknung oder Gefriertrocknung zur Gewinnung hochporöser Aerogele oder Kryogele.
Stimuli-responsive Nanopartikel-basierte Assemblierungen.
Untersuchung der neuen Eigenschaften, die sich aus dem kollektiven Verhalten und der Interaktion zwischen Nanopartikeln in nano-, mikro- und makro-strukturierten Materialien ergeben.

Neuartige funktionelle Materialien

Entwicklung von Materialien mit magnetischen und plasmonischen Eigenschaften, wie z. B. neuartige magnetoplasmonische Gele für sensorische, katalytische oder biomedizinische Anwendungen.
Materialien mit veränderbaren optischen Eigenschaften unter äußerer Einwirkung.
Entwicklung von Stimuli-responsiven Multikomponentenmaterialien, die auf externe Einflüsse wie magnetische Felder und Temperaturen reagieren.

Magnetische Charakterisierung

Die Magnetometrie mit supraleitenden Quanteninterferenzgeräten (engl.: superconducting quantum interference device, SQUID) ist dank ihrer hohen Empfindlichkeit und Genauigkeit das ideale Instrument zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von Materialien. Sie ermöglicht es, die Abhängigkeit der Magnetisierung vom angelegten Magnetfeld (Mvs.H) oder von der Temperatur (Mvs.T) zu untersuchen und so wichtige Informationen über die Proben zu erhalten, wie die Sättigungs- und Remanenzmagnetisierung, das Koerzitivfeld oder die Blockungstemperatur. Darüber hinaus ermöglicht die hohe Empfindlichkeit die Entschlüsselung der neu entstehenden Eigenschaften der Materialien, die durch die Reduzierung der Größe in den Nanobereich auftreten.

Wir widmen uns der Durchführung verbesserter magnetischer Messungen mit einem SQUID MPMS3 von Quantum Design sowie der Interpretation und Analyse der Daten. Insbesondere untersuchen wir die resultierenden magnetischen Eigenschaften von magnetischen Nanopartikeln, die zu makroskopischen Systemen (Kryo-, Hydro- oder Aerogele) assembliert sind, wobei wir uns auf das Verständnis der magnetischen Wechselwirkungen und der entstehenden kollektiven Eigenschaften konzentrieren. Darüber hinaus arbeiten wir eng mit der Arbeitsgruppe von Prof. Polarz und Forschern aus nationalen und internationalen Einrichtungen zusammen, um magnetische Messungen durchzuführen und Einblicke in die Eigenschaften einer Vielzahl von magnetischen Materialien zu gewinnen, entweder in Pulverform oder in Form von Filmen.

Details zum Messverfahren:

Das SQUID MPMS3 ermöglicht Messungen im traditionellen DC-Modus oder im VSM-Modus und erreicht Empfindlichkeiten in der Größenordnung von 10-8 emu durch die Kombination des SQUID-Sensors mit der Magnetometrie schwingender Proben.
Es können Messungen im Bereich von 1,8 K bis 400 K und bei einem maximal angelegten Magnetfeld von ±7 T durchgeführt werden.
Möglichkeiten zur Messung von Schüttgut, Pulver oder dünnen Schichten (Messungen in der Ebene und außerhalb der Ebene).
Für spezielle Anfragen oder bei Zweifeln zögern Sie nicht, via E-Mail Kontakt aufzunehmen.

Forschung zu magnetischer Hyperthermie und anderen Anwendungen

In der Biomedizin haben sich magnetische Nanopartikel als Kontrastmittel für die Magnetresonanztomographie (MRT), zur kontrollierten Freisetzung von Arzneimitteln, als Nachweis- und Diagnoseinstrumente und als Nanoheizer bei magnetischen Hyperthermiebehandlungen bewährt. Die magnetische Hyperthermie beruht auf einer lokalen Temperaturerhöhung in einem Tumor, die zum Absterben von Krebszellen führt, ohne gesunde Zellen zu schädigen. Die Wärme wird von den magnetischen Nanopartikeln bei der Anwendung von Hochfrequenzfeldern freigesetzt. Insbesondere Eisenoxid-Nanopartikel sind von verschiedenen Zulassungsbehörden für den klinischen Einsatz als Kontrastmittel und zur Behandlung von Anämie zugelassen worden. Darüber hinaus ist die magnetische Induktionserwärmung von magnetischen Nanopartikeln auch in anderen Bereichen wie der Katalyse, der Wasseraufbereitung und der Schweißtechnik sehr interessant und wertvoll.

Im Hinblick auf durch magnetische Nanopartikel vermittelte induktive Erwärmungsanwendungen sind unsere Hauptinteressen folgende:

Die Suche nach Materialien mit hoher Heizeffizienz, entweder Kolloide aus Nanopartikeln oder neuartige funktionelle Materialien.
Das Verständnis der physikalischen Erhitzungsmechanismen und des Einflusses verschiedener Parameter auf die Heizeffizienz, um die Nanopartikel für die gewünschte Anwendung genau anpassen zu können.
Die Entwicklung von Anwendungen für die Induktionserwärmung, wie die magnetische Hyperthermie oder darüber hinausgehende. Dazu nutzen wir mit einem magneTherm von Nanotherics, dass Frequenzen zwischen 100-900 kHz und ein maximales Feld von 30 mT anwenden kann.

In Zusammenarbeit mit dem Exzellenzcluster PhoenixD sind wir sehr daran interessiert, funktionelle magneto-plasmonische Materialien mit fortschrittlichen Eigenschaften für optische Anwendungen zu entwerfen, sowie an der Entwicklung von Charakterisierungswerkzeugen, um magneto-optische Messungen von Nanopartikel-Kolloiden und ihren Assemblierungen in Gegenwart von Magnetfeldern durchzuführen.

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Möge die magnetische Macht mit Ihnen sein!