Premiere: Erstmals Magnet aus Kupfer erschaffen

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    Mit dünnen Schichten aus Kohlenstoff-Molekülen verwandeln Forscher erstmals nicht magnetische Metalle wie Kupfer und Mangan in Magnete – Anwendungen für Quantencomputer, Medizin und Industrie möglich


    Eisen, Kobalt, Nickel – nur diese drei Metalle sind in reiner Form und bei Raumtemperatur magnetisch, genauer gesagt ferromagnetisch. Auch in allen industriell für Permanentmagnete genutzte Legierungen mit den begehrten Seltenen Erden sind diese drei Metalle enthalten. In Zukunft könnte sich das drastisch ändern. Denn eine Gruppe britischer, amerikanischer und schweizerischer Wissenschaftler gelang nun das Kunststück, nicht magnetische Metalle wie Kupfer und Mangan in Magnete zu verwandeln. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, könnten mit dieser Methode in Zukunft Magnete aus ungiftigen und vor allem günstigeren Substanzen entwickelt werden.


    „Wir haben mit dem Zusatz organischer Moleküle überprüft, ob wir eine magnetische Ordnung in nicht-magnetische Metalle erzeugen können“, sagt Oscar Cespedes von der School of Physics and Astronomy an der University of Leeds. Zusammen mit seinen Kollegen gelang ihm diese magnetische Wandlung mit kugelförmigen Molekülen aus 60 Kohlenstoffatomen, den sogenannten Buckyballs oder Fullerenen. Sie dampften nur 10 bis 20 millionstel Millimeter (Nanometer) dünne Buckyball-Schichten auf noch dünnere Lagen aus Kupfer oder Mangan.


    Diese Sandwich-Strukturen zeigten an den Grenzflächen zwischen Metall und Kohlenstoff ein überraschendes Verhalten. So wurden bei Raumtemperatur einzelne Elektronen aus ihren angestammten Positionen in der Metallschicht herausgezogen. Dank dieser Bewegung konnten die Elektronen nun dauerhaft einen magnetischen Spin tragen. Die Summe dieser Spins legte die Grundlage für den messbaren Magnetismus der verschiedenen Sandwich-Strukturen. Dicker als 2,5 Nanometer durften die Metallschichten allerdings nicht sein, da dann der Magnetismus wieder verschwand.


    Mit diesem Experiment gelang es Cespedes und Kollegen erstmals, bei Raumtemperatur das sogenannte Stoner-Kriterium für Ferromagnete ohne die Elemente Eisen, Kobalt und Nickel zu erfüllen. Dieses nach dem britischen Physiker Edmund Clifton Stoner (1899-1968) benannte Kriterium beschreibt das Verhalten der Elektronen, das für einen Ferromagnetismus nötig ist.


    So bahnbrechend diese Versuche für die Grundlagenforschung sind, haben sie allerdings noch einen kleinen Haken. Die Stärke dieser Kupfer- und Mangan-Magnete war noch ausgesprochen klein und konnte nur mit hoch empfindlichen Magnetometern gemessen werden. „Derzeit würde noch keiner dieser Magnete an einem Kühlschrank haften“, gibt Cespedes zu. Aber mit anderen Material-Kombinationen könnten durchaus kräftigere Magnete entwickelt werden, die in Zukunft vielleicht auch die Abhängigkeit der europäischen Industrie von Importen der Seltenen Erden vor allem aus China verringern könnte.


    Bis dahin kann sich Cespedes vorstellen, dass sich seine Magnete etwa als medizinische Kontrastmittel oder bald auch den Aufbau von Qubits in Quantencomputer nutzen ließen. „Unser Trick erweitert auf jeden Fall die Anzahl von magnetischen Substanzen aus günstigen, gut verfügbaren und umweltfreundlichen Komponenten“, sagt Cespedes.

  • gelang nun das Kunststück, nicht magnetische Metalle wie Kupfer und Mangan in Magnete zu verwandeln. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, könnten mit dieser Methode in Zukunft Magnete aus ungiftigen und vor allem günstigeren Substanzen entwickelt werden.

    Für die Grundlagenforschung sicherlich ein Fortschritt - aber diese Erklärung ist doch sehr dubios.
    Während Eisen für den menschlichen Körper sogar essentiell, und keineswegs giftig ist (wenn man einmal von einer seltenen genetischen Krankheit absieht leiden sogar viele Menschen eher an Eisenmangel), sind Kupfer und Mangan B-Typ-Metalle, daher hoch toxisch (wenn auch Kupfer seltsamerweise von Menschen, im Gegensatz zu Tieren und Bakterien, halbwegs gut vertragen wird, vermutlich weil dank der Bronzezeit diejenigen Menschen starben, die empfindlich auf Kupfer reagierten und sich so nicht vermehren konnten, wir also Nachfahren von den gegenüber Kupfer relativ unempfindlichen Menschen sind).
    Das Argument seltene Erden dürfte auch nur so lange ein Argument sein, bis die im Rest der Erde geschlossenen Seltenerdminen wieder produzieren, denn nun sind die von den Chinesen damals verschleuderten Seltenerdmetalle wieder so teuer, dass sich die früheren Minen wieder satt rentieren.
    Hinzu kommt, dass eine Tonne Eisen im Vergleich zu einer Tonne Kupfer oder gar Mangan spottbillig ist.
    Eisen steht massenhaft zur Verfügung, wie man daran sieht, dass selbst Schiffe oft einfach versenkt werden, statt sie zu recyceln. Kupferlagerstätten schwinden hingegen zusehends dahin.


    Grüße
    Pflaume

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