Quantitative Modellierung der Rotation ferromagnetischer Nanostäbe in elastischen Matrizen

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die quantitative Modellierung der magnetischen Drehmomente auf Nickel-Nanostäbe im Hinblick auf deren Anwendung als aktive Komponenten in weichelastischen Aktoren. In einem AAO-Templat-basierten Verfahren synthetisierte Nickel-Nanostäbe mit einer mittleren Länge von ~ 300nm und einem mittleren Durchmesser von ~ 20nm sind ferromagnetische Eindomänenteilchen, die aufgrund ihres hohen Aspektverhältnisses neben einer hohen magnetischen Formanisotropie auch eine ausgeprägte optische Anisotropie aufweisen. Durch Anlegen eines homogenen äußeren Felds kann ein magnetisches Drehmoment auf die Stäbe ausgeübt werden. Sind die Partikel in einer elastischen Matrix eingebracht, führt dieses Drehmoment zu einer Rotation um einen Winkel, der wiederum mit Hilfe feldabhängiger optischer Transmissionsmessungen detektiert werden kann. In Kombination von Magnetisierungs-, Magnetisierungsvektor-, sowie feldabhängigen optischen Transmissionmessungen wurde untersucht, durch welche Anpassungen des Stoner-Wohlfarth-Modells eine quantitative Modellierung des orientierungs- und feldabhängigen magnetischen Drehmoments auf Nickel-Nanostäbe und folglich der Partikelrotation möglich ist. Weiterhin wurden Polyacrylamid-Hydrogele als gegenüber den bislang verwendeten Gelatinegelen vorteilhaftes Matrixmaterial für Aktoren eingeführt und evaluiert. Abschließend wurde untersucht, ob bei hohen Partikelkonzentrationen interpartikuläre Wechselwirkungen bei der Modellierung berücksichtigt werden müssen.

The objective of the present study was the quantitative modelling of the magnetic torque on Ni nanorods for their application as active components in soft elastic actuators. Ni nanorods synthesized in an AAO template based process with a mean length of ~ 300nm and a mean diameter of ~ 20nm are ferromagnetic single domain particles. Due to their high aspect ratio, they exhibit both a high magnetic shape anisotropy and a significant anisotropic optic polarizability. By applying an external homogeneous field, a magnetic torque can be exerted on the nanorods. Embedded in an elastic matrix, this torque leads to a rotation by an angle that can be detected using field dependent optical transmission measurements. Combining magnetization, magnetization vector and optical transmission measurements it was investigated how the orientation and field dependent torque on Ni nanorods and the related particle rotation in elastic matrices could be quantitatively modelled using an adapted Stoner-Wohlfarth model. Furthermore, polyacrylamide hydrogels were implemented and evaluated as a superior alternative matrix material to the previously used gelatin hydrogels. Additionally the influence of interparticle interactions on the particle rotation at high particle concentrations was investigated.