Forscher entwickeln mithilfe der 3D-Drucktechnologie neuartige spiralförmige Nanomagnete

Ein internationales Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Cavendish Laboratory der Universität Cambridge hat die 3D-Drucktechnologie verwendet, um einen neuartigen Satz mikroskopischer Nanomagnete zu entwickeln.

Die Nanomagnete wurden in einem benutzerdefinierten 3D-Druckverfahren hergestellt und haben die Form einer DNA-inspirierten Doppelhelix. Laut dem Forschungsteam eignet sich diese unkonventionelle Struktur für starke Magnetfeldwechselwirkungen zwischen den Helices in einer noch nie dagewesenen Weise. Konkret erzeugen die 3D-gedruckten Helices durch Verdrehen umeinander nanoskalige topologische Texturen in dem von ihnen erzeugten Magnetfeld.

Das Team glaubt, dass es dieses Phänomen nutzen kann, um magnetische Kräfte im Nanobereich genau zu kontrollieren und den Weg für magnetische Geräte der „nächsten Generation“ zu ebnen.

Claire Donnelly, Erstautorin der Studie, erklärt: „Diese neue Fähigkeit, das Magnetfeld auf dieser Längenskala zu strukturieren, ermöglicht es uns, zu definieren, welche Kräfte auf magnetische Materialien ausgeübt werden, und zu verstehen, wie weit wir mit der Strukturierung dieser Magnetfelder gehen können. Wenn wir diese magnetischen Kräfte auf der Nanoskala kontrollieren können, kommen wir dem gleichen Grad an Kontrolle näher, den wir in zwei Dimensionen haben.“

Ein 3D-gedruckter spiralförmiger Nanomagnet und sein neuartiges Magnetfeld. Bild über die University of Cambridge.

Die Grenzen von 2D-Magnetsystemen

Obwohl Sie es vielleicht nicht wissen, sind magnetische Geräte ein wesentlicher Bestandteil vieler verschiedener Bereiche unseres Lebens. Magnete werden in Energieerzeugungsanwendungen verwendet, sie werden in der Datenspeicherung verwendet und sind für die tägliche Computerarbeit von entscheidender Bedeutung.

Leider stoßen herkömmliche Computergeräte schnell an ihre Miniaturisierungsgrenzen, da sie auf 2D-Magnetsystemen basieren. Um Computing und Datenspeicherung voranzutreiben, gibt das Cambridge-Team an, dass das Interesse am Übergang zu 3D-Magnetsystemen wächst. Unter Verwendung von 3D-Nanodraht-Architekturen können sich 3D-Magnetsysteme für höhere Informationsdichten (mehr Speicher bei weniger physischem Platz) und insgesamt verbesserte Leistung eignen.

Donnelly fügt hinzu: „Es wurde viel an einer noch zu etablierenden Technologie namens Racetrack Memory gearbeitet, die erstmals von Stuart Parkin vorgeschlagen wurde. Die Idee ist, digitale Daten in den magnetischen Domänenwänden von Nanodrähten zu speichern, um Informationsspeicher mit hoher Zuverlässigkeit, Leistung und Kapazität herzustellen.“

Der Übergang in diese neue Domäne hat sich bisher als schwierig erwiesen, da die Auswirkungen der Skalierung auf 3D sowohl auf die Magnetisierung als auch auf das Magnetfeld der Systeme verstanden werden müssen.

Daher haben Donnelly und der Rest des Teams die letzten Jahre damit verbracht, neue Methoden zur Visualisierung magnetischer 3D-Strukturen zu erforschen und zu entwickeln. Sie haben auch eine 3D-Drucktechnik für magnetische Materialien entwickelt – die in der vorliegenden Studie verwendet wird.

SEM-Bildgebung der 3D-gedruckten Nanomagnete.  Bild über die University of Cambridge.
SEM-Bildgebung der 3D-gedruckten Nanomagnete. Bild über die University of Cambridge.

Skalierung der Magnetisierung in die dritte Dimension

Nach dem 3D-Druck der Nanomagnete führte das Cambridge-Team seine 3D-Messungen an der PolLux Beamline der Synchrotron Lichtquelle Schweiz am Paul Scherrer Institut. Es ist Berichten zufolge die einzige Strahlführung, die Soft-Röntgen-Laminographie bietet – ein fortschrittliches Röntgenbildgebungsverfahren.

Die Forscher fanden heraus, dass ihre 3D-gedruckten Spiralmagnete eine andere Magnetisierungstextur aufwiesen, als sie normalerweise in 2D-Systemen zu sehen ist. Es wurde festgestellt, dass Wandpaare zwischen magnetischen Domänen gekoppelt sind, was zu einer Verformung führt. Durch die gegenseitige Anziehung wurde beobachtet, wie sich die Wände drehten und „einrasten“, wodurch starke Bindungen zwischen den Helices der gedruckten Magnete erzeugt wurden (ähnlich den Bindungen in einer DNA-Doppelhelix).

Donnelly sagte: „Wir haben nicht nur festgestellt, dass die 3D-Struktur zu interessanten topologischen Nanotexturen in der Magnetisierung führt, wo wir relativ daran gewöhnt sind, solche Texturen zu sehen, sondern auch im magnetischen Streufeld, das aufregende neue nanoskalige Feldkonfigurationen offenbart!“

Nach erfolgreichen 3D-gedruckten Magneten mit dreidimensionaler Magnetisierung werden die Wissenschaftler nun die Herstellung komplexerer Systeme mit dreidimensionalen Magnetfeldern erforschen. Die Arbeit ist in einer Vielzahl von Bereichen vielversprechend, darunter Partikelfallen, Bildgebungsverfahren und intelligente Materialien.

Weitere Details der Studie finden Sie in der Arbeit mit dem Titel ‘Komplexe Freiraum-Magnetfeldtexturen, die durch dreidimensionale magnetische Nanostrukturen induziert werden‘.

Die dreidimensionalen Magnetfelder der 3D-gedruckten Nanomagnete.  Bild über die University of Cambridge.
Die dreidimensionalen Magnetfelder der 3D-gedruckten Nanomagnete. Bild über die University of Cambridge.

Der 3D-Druck magnetischer Materialien ermöglicht die Schaffung intelligenter Systeme und eine ganze Reihe neuartiger Anwendungen. Forscher aus Universität Xiamen haben zuvor 3D-gedruckte Hochfrequenz-(RF)-Sondenköpfe, die sowohl routinemäßige als auch unkonventionelle Magnetresonanz(MR)-Experimente durchführen können. Die MR-Technologie wird häufig in der wissenschaftlichen Forschung, bei geologischen Untersuchungen und in der klinischen Diagnose mittels MRT-Scans eingesetzt.

An anderer Stelle haben Forscher der Universität Grenoble haben zuvor eine Methode zum 3D-Drucken von Mikrostrukturen mit verformbaren Magnetfeldern entwickelt. Der Ansatz beinhaltet das Hinzufügen magnetischer Mikrokügelchen zu einem standardmäßigen 3D-Druckobjekt mit Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP). Durch die Anpassung der Materialeigenschaften sowie der Ausrichtung der Kügelchen konnten die Wissenschaftler komplexe Nanopinzetten herstellen, die nur mit einem externen Magnetfeld betrieben werden konnten.

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Das vorgestellte Bild zeigt einen 3D-gedruckten helikalen Nanomagneten und sein neuartiges Magnetfeld. Bild über die University of Cambridge.

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