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Faszination Technik Wie Magnetismus auch ohne Metall funktioniert

Quelle: TU Dresden 2 min Lesedauer

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie es Forschenden gelungen ist, metallfreie magnetische Materialien durch präzise Computersimulationen vorherzusagen.

Einen Meilenstein für die Materialwissenschaft melden Forschende der TU Dresden: Sie entdeckten, dass man magnetische Momente auch in metallfreien Materialien geordnet koppeln kann.(Bild: Thomas Heine)
Einen Meilenstein für die Materialwissenschaft melden Forschende der TU Dresden: Sie entdeckten, dass man magnetische Momente auch in metallfreien Materialien geordnet koppeln kann.
(Bild: Thomas Heine)

Magnetismus fasziniert die Menschen seit Jahrhunderten: Ob Kinder, die mit Magneten spielen, oder Wissenschaftler, die die fundamentalen Kräfte hinter dem Phänomen erforschen. Es ist bekannt, dass Magnetismus in der Natur meist eng mit Metallen verbunden ist – die klassischen Permanentmagnete zum Beispiel basieren auf Eisen oder anderen Metallen.

Das ist fundamental neu. Üblicherweise haben die Elektronenspins in organischen Materialien eine zufällige Orientierung und heben sich somit im Festkörper auf. Durch geeignete chemische Bindungen ordnen sich die Spins im 2D-Kristall an, wodurch ein ferromagnetisches Material entsteht.

Hongde Yu

Magnetismus auch in rein organischen Materialien möglich

Nun haben Hongde Yu und Thomas Heine von der Professur für Theoretische Chemie an der TU Dresden erstmals durch Berechnungen gezeigt, dass es möglich ist, Magnetismus auch in rein organischen Materialien zu erzeugen. Als grundlegenden Baustein verwendeten die Wissenschaftler sogenannte Triangulene, dreieckige Moleküle, die ungepaarte Elektronen und somit ein magnetisches Moment besitzen. Wenn man diese Molekülbausteine zu einem 2D-Festkörper verbindet, ordnen sich diese ungepaarten Elektronenspins und erzeugen so ein ferromagnetisches Material.

„Der Magnetismus beruht auf der robusten Kopplung der Elektronenspins zwischen benachbarten molekularen Bausteinen. Im Gegensatz zum Magnetismus in Metallen, wo die Elektronenspins an den Metallatomen lokalisiert sind, sehen wir eine delokalisierte Spindichte, die sich über den gesamten Triangulen-Molekülverbund verteilt. Dabei können sich, je nach Molekülzusammensetzung, sogenannte Stoner-Ferromagnete, bei denen die Spins benachbarter Moleküle parallel sind, oder antiferromagnetische Mott-Isolatoren, wo die Spins benachbarter Moleküle entgegengesetzt sind, bilden“, erklärt Heine.

Einsatz in der Datenspeicherung, Medizintechnik oder Quantencomputing denkbar

Die Entdeckung, dass man magnetische Momente in metallfreien Materialien geordnet koppeln kann, öffnet die Tür für die Entwicklung von magnetischen Materialien, bei denen Metalle unerwünscht sind, etwa aufgrund ihres Gewichts oder ihrer Toxizität. Metallfreie Magnete könnten sich als robuster und biokompatibler erweisen, was insbesondere in der Medizintechnik von Bedeutung wäre, heißt es.

Mit dieser Arbeit hat das Forschungsteam eine neue Klasse von magnetischen Materialien entdeckt, die das Potenzial hat, zukünftige technologische Entwicklungen maßgeblich zu beeinflussen: Die magnetischen zweidimensionalen (2D) Polymere könnten in Zukunft eine wichtige Rolle in der Datenspeicherung, Medizintechnik oder Quantencomputing spielen.

Originalpublikation: Yu, Hongde und Heine, Thomas. Prediction of metal-free Stoner and Mott-Hubbard magnetism in triangulene-based two-dimensional polymers. Science Advances. Vol 10, Issue 40. DOI: 10.1126/sciadv.adq79

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