Introduktion og perspektivering

Transkript

1 Introduktion og perspektivering Grundlaget for Nanoscience blev skabt i 1980 erne ved opdagelsen af Scanning Probe Mikroskoperne. Det er en fælles betegnelse for Scanning Tunnel Mikroskoper (STM) og Atomar Kraft Mikroskoper (AFM). Mikroskoperne giver os mulighed for både at se og flytte rundt på atomer på nanoskala (dvs m), idet de kan forstørre op til 1 milliard gange. Det ville svare til at skalere et brombær op til samme størrelse som hele jordkloden. Forsker i gang med at se på enkelt molekyler på Total internal reflection flourescence microscope (TIRF). Dette skabte en grobund for et helt nyt videnskabeligt felt, en helt ny videnskabelig verden, som tager udgangspunkt i biologiens, fysikkens og kemiens love, men også adskiller sig på væsentlige områder. Nanoscience er interessant på gymnasieniveau i form af de almindelige naturvidenskabelige love, men bliver endnu mere interessant i den videre fordybelse, hvor man opdager nye egenskaber af molekyler på nanostørrelse, eller når man bruger nanoteknologiske værktøjer til at se eller manipulere med partikler. TIRF er et moderne nano instrument, som kan give utrolig høj opløsning under 100 nm ved udnyttelse af fluorescens og bøjning af lys igennem forskellige media. Nanomagneter er et glimrende eksempel på anvendt nanoscience og bruges blandt andet til sensorer, datalagring, støddæmpere i alle afskygninger, eller medicinsk diagnosticering. Forskningen inden for magneter er enorm vigtig, da magnetisme er en central del af den moderne teknologi. Vi bruger magneter i alt fra mindre apparater som telefoner og computere til store anlæg som vindmøller og motorer. Hele den moderne teknologi er bygget op omkring magneter, da de er helt centrale i omdannelsen af mekanisk energi til strøm (elektrisk energi). Illustration af den magnetiske evne i forhold til diameteren på partiklen ved stuetemperatur. Magneter er lavet af små domæner, som kan vende op eller ned. Hvis de har modsat retning, vil de ophæve hinanden. Ved små partikler, indtil kurvens toppunkt, vil termiske fluktuationer fra temperaturen flippe alle domænerne på samme tid, hvorimod det kun vil være nogle domæner, som flippes ad gangen ved større partikler. Derfor ophæves noget af magnetismen ved større partikler (efter kurvens toppunkt), da nogle af domænerne vil gå i modsat retning. Kilde: Hadjipanayis, G.C., Nanophase hard magnets. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, (1 3): p

2 Nanoscience skaber grobund for at udvikle langt kraftigere og fleksible magneter, som man bedre kan styre. Men man møder også helt nye udfordringer, når man undersøger magneter på nanoskala. Et helt alment problem er de termiske fluktuationer, som allerede ved 13 K begynder at svække de kraftige nanomagneter. Både i sensorer og medicinsk diagnosticering udnytter man magnetfeltet til at følge og påvirke magneterne, så man kan bestemme hastigheder og bevægelser. I biologisk materiale kan man nemt transportere magneterne rundt, da de er små nok til at gå igennem levende væv. Ved at koble medicin til magneterne, kan man derved dirigere dem til kræftknuder og nøjes med at ramme det kræftramte område. Forskere har desuden bevist, at nanomagneter kan skifte magnetfeltets retning med en hastighed på 165 billiontedele af et sekund. Dette gør dem yderst velegnede som støddæmpere i mindre dagligdags ting som vaskemaskiner, biler eller seler, men også til større anlæg, der skal stå imod vibrationer fra jordskælv, som f.eks. broer eller atomkraftværker. Nutidens datalagring består af mikromagneter, som kan have magnetfeltet i to retninger, som vi kalder henholdsvis 0 og 1. Hvis man udskiftede mikromagneter med nanomagneter, ville man øge informationstætheden og arbejdshastigheden væsentligt i harddiskene. Men her spiller de termiske fluktuationer igen ind og gør det ikke muligt at styre nanomagneter på samme måde som nutidens mikromagneter. For at forstå dette til fulde, må man forstå kvantemekanikken, som ellers ikke har betydning for større objekter. Dette gør Nanoscience og nanomagneter til et svært, nymoderne, men yderst relevant emne at forske i. Effekten af moderne computerchips bliver fordoblet hver 18. måned efter Moores lov. Men for at lave mindre effektive chips i fremtiden, må man forske i Nanoscience.

3 Fremstilling af nanomagneter En kemisk metode til fremstilling af nanomagneter er illustreret nedenfor. Man fremstiller miceller i nanometer størrelse, som man bruger som beholdere til sin fremstilling af magneter. Derved får man nanomagneter. En micelle er en struktur, som opstår i væsker med hydrofobe grupper (vandafvisende grupper) og hydrofile grupper (vandtiltrækkende grupper). Da disse to grupper helst vil være langt fra hinanden, vil de hydrofobe grupper samle sig i en kerne med de hydrofile grupper rundt om sig, dette kaldes også den hydrofobe effekt. Micelle: Det ses, at de hydrofobe grupper samler sig i centrum med de hydrofile grupper rundt om sig. Micellerne dannes ved blandingen af olie og et overfladeaktivt molekyle, hvilket vil resultere i, at olien frastøder vandet (den hydrofobe effekt) og danner hule kugler af olie. Derefter tilfører man salte og metaller, som selv trænger ind i micellerne og danner magneter. Da man kan kontrollere størrelsen af micellerne, kan man derved også kontrollere størrelsen af de magnetiske nanopartikler. Illustration af hvordan man kemisk fremstiller magnetiske nanopartikler. Miceller dannes efter ønsket størrelse, salt fjernes og metal udfældes, man vasker og tørrer for til sidst at få metalnanopartikler. Kilde: R. H. Nielsen, Nanomagneter skaber gennembrud, RISØNYT N 1, 2003: s. 33.

4 Teori Man kan spørge sig selv, om ting kan være to steder på samme tid? Eller om de kan flyve igennem hinanden? I den klassiske mekanik, som man lærer op igennem folkeskolen og gymnasiet, er svaret nej. Det er også vores dagligdagsopfattelse. Men når vi ser på genstande på nanometerskalaen, ændrer tingene sig, og vi bliver nødt til at tage højde for kvantemekanikken, hvor det pludselig godt kan lade sig gøre. Man møder helt nye udfordringer end tidligere, når man skal undersøge partikler langt mindre end det synlige spektrum. Et af de store problemer er blandt andet temperaturen. En almindelig jernmagnet mister sin magnetisme omkring 800 C, mens en nanomagnet allerede mister den omkring -260 C, hvilket gør det svært at bruge nanomagneter i praksis. Dette skyldes kvantemekaniske effekter, som slet ikke ville optræde ved magneter i almindelig størrelse. I denne verden har temperaturen en stor betydning, og ofte vil stuetemperatur påvirke de små partikler så meget, at de ikke kan bruges. Man bliver derfor nødt til at afkøle dem markant. For at få en bredere forståelse af dette, bliver man nødt til at forstå den klassiske mekanik samt kvantemekanikken. Men i dette forsøg, vil vi kun berøre teorien inden for den klassiske mekanik, dog med håb om, at det kan skabe interesse for kvantemekanikken. Sammenligning af størrelser, instrumenter, modeller og kræfter. Der er forskel på, hvordan tingene opfører sig, i forhold til hvilken størrelsesorden de hører til. Derved må vi også bruge andre metoder til at undersøge nanopartikler end større ting som blodceller, dyr eller mennesker.

5 Et ferrofluid er det, vi på dansk kalder en magnetisk suspension. En suspension er en blanding af fast stof og væske, hvor det faste stof ikke er opløseligt i væsken. Et eksempel er mælk. Da det kun er faste stoffer, som kan være magnetiske, er det smart at kunne lave en suspension. Derved kan vi udnytte partiklernes magnetiske evne til at give væsken en magnetisk evne. Dvs. det er de opløste nanopartikler af metal, der giver væsken dens magnetiske egenskaber. Ferrofluids blev opdaget af forskere fra NASA i 1960 erne, da de forsøgte at finde en metode til at kontrollere væsker i rummet. De opdagede, at nanopartikler af metal kunne opløses i olie eller vand (til metaloxider), og væsken kunne derefter styres med en magnet. De nye væsker kaldte de for ferrofluids. Nanopartikler i ferrofluids er typisk af størrelsen 10 nanometer, hvilket gør dem små nok til, at de forbliver suspenderet i opløsningen. Man ser tydeligt at væsken opfører sig som om, at den var magnetisk, hvis man påvirker den med en stærk magnet under bægerglasset.

6 Eksperiment 1: Fremstilling af ferrofluids - Elevvejledning Ferrofluids har mange anvendelsesmuligheder. For eksempel anvendes de allerede i dag som støddæmpende væske i høreapparater og til at dæmpe de højeste lydfrekvenser i telefoner. i Desuden anvendes ferrofluids til hjerneskanninger, hvor den magnetiske væske bruges som kontraststof og følges på dens vej igennem hjernes blodårer ved hjælp af et magnetisk felt. Forskere arbejder også på at udvikle hurtigere og mindre computere, hvor ferrofluids benyttes til datalagring. I eksperiment 2 skal du arbejde med at udvikle en ny metode til dosering af kræftmedicin v.h.a. af ferrofluids og magnetisme. Figur 1 Surfaktanter ( Surface active agent ) Surfaktanter er molekyler med et negativt (hydrofilt) hoved og en neutral (hydrofob) hale. På grund af denne dobbelte egenskab kan surfaktanter bryde overfladespændingen i f.eks. vand. Sæbe er et eksempel på en surfaktant, de hydrofobe haler binder til skidtet, mens de hydrofile hoveder binder til vandet. På den måde brydes overfladespændingen og skidtet går i opløsning. I dette eksperiment skal du fremstille et ferrofluid med magnetiske nanopartikler af magnetit. Magnetit er en forbindelse af jern og oxygen (Fe 3 O 4 ) og det er fra jernet (ferrum = jern), at navnet ferrofluid stammer. Da magnetitpartikler har en tendens til at klumpe sig sammen og derved fælde ud af opløsningen, tilsættes et surfaktant (figur 1), det vil sige et stof, der holder magnetitpartiklerne i opløsning. Surfaktanten, du skal bruge i eksperimentet, hedder tetramethylammoniumhydroxid, (TMAH). Figur 2. Illustration af stabilisering af en magnetisk væske med TMAH. De negative OH - binder til magnetitpartiklerne og tiltrækker de positive (CH 3 ) 4 N +, der danner en positiv skal om de enkelte partikler, som derefter frastøder hinanden. Størrelsesforholdene på tegningen er ikke korrekte. 2

7 Eksperiment 1: Fremstilling af ferrofluids - Elevvejledning TMAH er negativ ladet i den ene ende (OH - ) og positivt ladet i den anden ende (( CH 3 ) 4 N + ). De negative ender binder til de enkelte magnetitpartikler med de positive ender strittende ud. På den måde bliver der dannet en positiv ladet skal omkring hver enkelt magnetitpartikel, og derfor frastøder partiklerne hinanden, så de bliver i opløsning i stedet for at sætte sig sammen (figur 2). Stoffer med egenskaber som TMAH hedder surfaktanter. Partikelstørrelsen og forholdet mellem magnetit og surfaktant er kritisk for at opnå de ønskede egenskaber. En opløsning med for meget eller lidt surfaktant sammen med en stor magnetit-partikelstørrelse vil ikke have en væskes egenskaber. Til sidst i eksperimentet skal du forsøge at flytte en mønt ved først at placere den i ferrofluidet og derefter bevæge piggene ved hjælp af en magnet. Ideen med at bruge ferrofluids til at flytte objekter med er blandt andet en, som forskere ved Duke Universitet i USA beskæftiger sig med. Tanken er, at bruge den magnetiske væske til at flytte rundt med celler og molekyler ii. 3

8 Fremstilling af magnetiske nanopartikler Formål I dette eksperiment skal du fremstille nanopartikler af magnetit og bruge dem til at lave en magnetisk suspension, et såkaldt ferrofluid. Apparatur og kemikalier 150 ml bæreglas Pipette En kraftig magnet Vejeskål Mønter af forskellig vægt Magnetomrører Burette 1M FeCl 3 opløsning 2M FeCl 2 opløsning 0,5 M ammoniumhydroxid-opløsning (NH 4 OH) 25% tetramethylammoniumhydroxid-opløsning ((CH 3 ) 4 NOH)/TMAH Sikkerhedsprocedure og affald Bær handsker og briller under hele øvelsen Lav øvelsen i et stinkskab Håndtér affald som uorganisk affald

9 Eksperiment 1. Hæld 4 ml FeCl 3 opløsning og 1 ml FeCl 2 opløsning i et 150 ml glas og lad blandingen stå på magnetisk omrører i et par minutter. 2. Tilsæt én dråbe ad gangen 50 ml 0,5 M ammoniumhydroxid til jernkloridopløsningen, samtidigt med at du rører rundt. Her er det praktisk at bruge en burette. Det er meget vigtigt, at ammoniumhydroxiden tilsættes langsomt, dvs. dråbe for dråbe. bundfald. Det er magnetitpartiklerne. Bliv ved med at røre rundt til alt ammoniumhydroxiden er tilsat. Under tilsætningen af ammoniumhydroxiden vil der dannes et sort 3. Stil glasset oven på en magnet. Magneten trækker alt magnetiten ud af opløsningen og vandet bliver klart. 4. Hæld det overskydende vand fra. Hold evt. magneten under glasset imens. Magneten holder magnetitpartiklerne fast, så de ikke ryger ud med vandet. 5. Hæld nu magnetiten over i en vejeskål. Tilsæt evt. først en lille smule vand, for at få det hele med.

10 6. Sæt vejeskålen oven på en magnet for at trække magnetiten ned på bunden. 7. Hold magneten under vejeskålen og hæld det overskydende vand fra. 8. Skyl magnetiten to gange ved at hælde vand i vejeskålen, bruge magneten til at trække magnetiten ned på bunden og hælde det overskydende vand fra. På den måde skylles den overskydende ammoniumhydroxid af magnetitpartiklerne. Det er vigtigt, at man er rimelig grundig med skylningen. OBS: Her kan man udtage en prøve til PXRD, hvis man ønsker at analysere krystalstrukturen. 9. Fortsæt med at hælde vand fra til prøven er en tyk væske, men pas på ikke at fjerne alt vandet. Prøven har den rette konsistens, når vejeskålen kan hældes, uden at prøven flyder ud af skålen. 10. Tilsæt 1 ml 25% TMAH og bland prøven ved at bevæge vejeskålen henover magneten i 2 minutter. Det er her vigtigt, at man bruger en rimelig kraftig magnet, og at man er grundig. 11. Når prøven er godt blandet, hældes den overskydende sorte væske fra, mens magneten holdes under vejeskålen som under skylningen. 12. Bevæg magneten (Kraftig magnet) rundt under vejeskålen med den magnetiske væske, indtil væsken danner pigge.

11 13. Du har nu fremstillet et ferrofluid. Nu skal du prøve, om densiteten af nanopartiklerne er stor nok til at kunne bære en mønt. Placerer en mønt i væsken husk at bære handsker o gentag nu bevægelsen med magneten under vejeskålen. Hvad sker der? Prøv dig frem med magneter af forskellige styrker og mønter af forskellig vægt.

12 Spørgsmål og opgaver 1. Hvad er koncentrationen af FeCl 3 - og FeCl 2 -opløsningerne? 2. Hvilke oxidationstilstande af jern findes i magnetit (Fe 3 O 4 )? 3. Tegn strukturen af TMAH ((CH 3 ) 4 NOH) 4. Hvorfor er det vigtigt at tilsætte ammoniumhydroxiden langsomt? Hvad ville der ske, hvis man tilsatte det for hurtigt? 5. Hvorfor holder man en magnet under glasset, mens vandet hældes fra? 6. Hvad er formålet med at tilsætte TMAH? 7. Beskriv hvad der sker, når en magnet kommer tæt på en magnetisk væske. Hvad sker der, når magneten fjernes? 8. Afstem reaktionsskemaet: FeCl 3 + FeCl 2 + NH 3 + H 2 O Fe 3 O 4 + NH 4 Cl 9. Kom med nogle eksempler på, hvor magnetiske væsker kunne være nyttige.

13 Lærervejledning for magnetiske nanopartiklers anvendelse i kemiundervisningen (eller biokemi) Magnetiske nanopartikler er et relevant forsøg, da det er et interessant forskningsområde og anvendelsesmulighederne er brede. Eksperimentet kan laves for at forstå helt basale dele af videnskaben, til den brede tværfaglige forståelse der skal til for at forstå anvendelsesmulighederne til fulde. Derfor egner det sig godt som et gymnasieforsøg, som kan bruges til alt fra at inspirere eleverne, til et længere tværfagligt forløb på tværs af kemi, fysik og biologi. Magnetiske nanopartikler kan også benyttes i introforløbene på STX (NV) og HF (naturvidenskabelig faggruppe). Magnetiske nanopartikler er et bredt eksperiment, som giver gode muligheder for at udfolde sig på mange niveauer inden for kemi. Men vigtigere er de spændende perspektiveringer, som der er i forsøget. Magneterne er et nyt materiale, som bruges i forskning i lige fra computere til kræftmedicin. Inden for kemi C kan øvelsen bruges som et demonstrationsforsøg for at vække den naturvidenskabelige interesse hos eleven, og man kan snakke om de kemiske stoffer man bruger, deres tilstandsformer, gennemgå reaktionsskemaer for reaktionen og give eleverne en elementær forståelse af kemi. Man kan yderligere dykke ned i redoxreaktioner, elektronegativet på højere niveau, hvor eleverne også selv kan lave forsøget og gå mere i dybden med de elementære områder. Niveau Kemi C Kemi B Kemi A Teori Basis teori indenfor: Stoffers opbygning, Tilstandsformer, Reaktionsskemaer, Kemiske reaktioner, Eksperimentelt arbejde evt. som demonstrationsforsøg Uddybelse af C-niveau stof, Redoxreaktioner, Selvstændigt eksperimentelt arbejde Mere om laboratoriesikkerhed Dyb forståelse af de klassiske begreber ovenfor, samt en større helhedsmæssig forståelse. F.eks. hvordan stoffers opbygning har en betydning på elektronegativitetsforskelle, hydrofobe/hydrofile områder og hvad dette har at gøre med magnetisme. Det er desuden her, at samspillet med andre fag som biologi og fysik kan blive rigtig relevant.

14 Lærervejledning for magnetiske nanopartiklers anvendelse i fysikundervisningen Magnetiske nanopartikler er et relevant forsøg, da det er et interessant forskningsområde og anvendelsesmulighederne er brede. Eksperimentet kan laves for at forstå helt basale dele af videnskaben, til den brede tværfaglige forståelse der skal til for at forstå anvendelsesmulighederne til fulde. Derfor egner det sig godt som et gymnasieforsøg, som kan bruges til alt fra at inspirere eleverne, til et længere tværfagligt forløb på tværs af kemi, fysik og biologi. Magnetiske nanopartikler kan også benyttes i introforløbene på STX (NV) og HF (naturvidenskabelig faggruppe). Magnetiske nanopartikler er et bredt eksperiment, som giver gode muligheder for at udfolde sig på mange niveauer inden for fysik. Men vigtigere er de spændende perspektiveringer, som der er i forsøget. Magneterne er et nyt materiale, som bruges i forskning i lige fra computere til kræftmedicin. Inden for fysik C kan øvelsen bruges som et demonstrationsforsøg for at vække den naturvidenskabelige interesse hos eleverne, og man kan snakke om de kemiske stoffer man bruger, deres opbygning, magnetisme og basal intuition omkring kræfter. På højere niveau kan man yderligere dykke ned i kvantemekanik, og eleverne kan selv lave forsøget, tegne kræftdiagrammer og gå mere i dybden med magnetisme og strøm. Niveau Fysik C Fysik B Fysik A Teori Basis teori indenfor: Stoffers opbygning, Magnetisme og poler, Kræfter, Eksperimentelt arbejde evt. som demonstrationsforsøg, Uddybelse af C-niveau stof, Selvstændigt eksperimentelt arbejde, Kvantemekanik Dyb forståelse af de klassiske begreber ovenfor, samt en større helhedsmæssig forståelse. F.eks. hvordan magnetisme hænger sammen med strøm, og der kan med fordel perspektiveres til anvendelsesmulighed som kræftmedicin eller elektronik. Forløbet lægger desuden op til at snakke om begrænsningerne ved den klassiske mekanik og prikke til kvantemekanik. Det er desuden her, at samspillet med andre fag som biologi og kemi kan blive rigtig relevant.

15 Lærervejledning for magnetiske nanopartiklers anvendelse i biologiundervisningen Magnetiske nanopartikler er et relevant forsøg, da det er et interessant forskningsområde og anvendelsesmulighederne er brede. Eksperimentet kan laves for at forstå helt basale dele af videnskaben, til den brede tværfaglige forståelse der skal til for at forstå anvendelsesmulighederne til fulde. Derfor egner det sig godt som et gymnasieforsøg, som kan bruges til alt fra at inspirere eleverne, til et længere tværfagligt forløb på tværs af kemi, fysik og biologi. Magnetiske nanopartikler kan også benyttes i introforløbene på STX (NV) og HF (naturvidenskabelig faggruppe). Magnetiske nanopartikler er et bredt eksperiment, som giver gode muligheder for at udfolde sig på mange niveauer inden for biologi. Men vigtigere er de spændende perspektiveringer, som der er i forsøget. Magneterne er et nyt materiale, som bruges i forskning i lige fra computere til kræftmedicin. Inden for biologi C kan øvelsen bruges som et demonstrationsforsøg for at vække den naturvidenskabelige interesse hos eleverne, og man kan snakke om den naturvidenskabelige metode, laboratoriesikkerhed, kroppens anatomi samt perspektivere forsøget til moderne kræftmedicin (også meget relevant i biokemi!). På højere niveau kan eleverne få lov til selv at lave forsøget og gå mere i dybden med de elementære områder. Niveau Biologi C Biologi B Biologi A Teori Basis teori indenfor: Naturvidenskabelig metode, Eksperimentelt arbejde evt. som demonstrationsforsøg, Laboratoriesikkerhed, Perspektiverer til relevant kræftmedicin, Kroppens anatomi Uddybelse af C-niveau stof, Selvstændigt eksperimentelt arbejde Dyb forståelse af begreberne ovenfor, samt en større helhedsmæssig forståelse. F.eks. hvordan magnetisme og kroppens anatomi hænger sammen i moderne kræftmedicin. Det er desuden her, at samspillet med andre fag som fysik og kemi kan blive rigtig relevant.

16 Lærervejledning for magnetiske nanopartiklers anvendelse i tværfalige projekter Arbejdet med magnetiske nanopartikler giver gode muligheder for tværfagligt samarbejde på flere niveauer. Et studieretningsforløb med inddragelse af fysik og kemi og biologi er en mulighed, eller et projekt imellem 2 af fagene på tværs. Forsøget er desuden godt egnet til et tværfagligt projekt med fysik, biologi og kemi, hvor man kan inddrage anvendelsesmulighederne og gå i dybden med en af dem. Eksempler kan være kræftmedicin, hvor kombinationen af alle fag er relevant. For at forstå hele processen fra syntese af magnetiske nanopartikler til helbredelsen af kræft, kræver det en forståelse af den kemiske syntese af magnetiske nanopartikler, kroppens anatomi, basal viden om kræft, hvilke kemiske stoffer der er giftige for kroppen (laboratoriesikkerhed kan her inddrages), magnetisme og grundlæggende naturvidenskabelig viden. Et andet projekt kunne være samspillet mellem kemi og fysik, hvor man kunne gå i dybden med informationsteknologi, hvor nanopartikler er det nye skud på stammen. Her er det både vigtigt at have en forståelse af den kemiske syntese, den fysiske anvendelse af magneterne, samt de udfordringer teknologien står overfor (her må man snuse lidt til kvantemekanik, da partikler opfører sig anderledes på nanoskala), for at kunne lave det helt rigtige produkt. De samme emner og problematikker går også igen, hvis man undersøger nanomagneter som støddæmpere fra dagligdagseksempler til ved større anlæg som broer eller atomkraftværk.

17 14 KNANOTEKNOLOGI Små stærke magneter anvendes i et utal af teknologiske produkter i dag. Desværre er fremstillingen af de bedste magnetiske materialer afhængig af sjældne jordarter, og derfor er der stor interesse for at udvikle nye magnetiske materialer lavet af billige grundstoffer. Permanente magnetiske materialer har været afgørende for mange af menneskehedens største opdagelser. Kompasset tillod Christoffer Columbus at navigere over Atlanten og opdage den nye verden, og kompasnålen ledte Hans Christian Ørsted på sporet af elektromagnetismen. Elektromagnetisme og permanente magneter er de grundlæggende teknologier bag konvertering mellem kinetisk energi og elektricitet. Magneter findes overalt; lige fra højtalere, mikrofoner og vibratorer i mobiltelefoner, til datalagring, elektromotorer i biler, magnetiske gear og dynamoer i gearløse vindmøller. De stærkeste permanente magneter, som på nuværende tidspunkt er kommercielt tilgængelige, er de såkaldte neodym-magneter. Materialet, som består af neodym, jern og bor med den kemiske formel Nd 2 Fe 14 B, blev opdaget i 1982 og har siden været den foretrukne forbindelse til anvendelser, hvor både kompakthed og høj feltstyrke er nødvendig. Hovedparten af verdens produktion af neodym, der tilhører de såkaldte sjældne jordarter, foregår i Kina, som sidder på ca. 97 % af verdensmarkedet. Kina har således næsten monopol, og det har betydet voldsomme prisstigninger på neodym. Prisen truer nu med at kvæle verdens producenter af permanente magneter, og der er hårdt brug for alterna- tive materialer. Ved Center for Materiale Krystallografi, tilknyttet Institut for Kemi og Interdisciplinært Nanoscience Center på Aarhus Universitet, forsker vi derfor i permanente magneter uden sjældne jordarter. Nanomagneter størrelsen betyder noget! Vi arbejder på at forstå, hvorfor lige netop Nd 2 Fe 14 B er et godt magnetisk materiale. Ud fra denne viden designer vi nye materialer, der består af billige og lettilgængelige grundstoffer. Specielt strontiumhexaferrit (SrFe 12 O 19 ) viser stort potentiale, da det har nogle af de samme egenskaber som neodymmagneter. Foto: Jesper Rais Aktuel u Naturvidenskab d e n k ab

18 NANOTEKNOLOGI 15 Måling af magnetiske egenskaber Magnetisering (M) H = 0 M M s M r H M BH max H c Feltstyrke (H) H = 0 M = 0 H M = 0 Et permanent magnetisk materiale kan makroskopisk set karakteriseres ved en såkaldt hysteresekurve (rød), hvor man bestemmer materialets magnetisering som funktion af et pålagt magnetfelt. Det pålagte felt (H) tvinger de atomare magnetiske momenter til at ensrette deres orientering, hvilket får de magnetiske domæner parallelt med magnetfeltet til at vokse og materialet bliver magnetisk med magnetisering (M). Efterhånden som det påførte felt øges, stiger magnetiseringen, indtil det ikke er muligt at ensrette flere atomare momenter og materialet opnår sin mætningsmagnetisering (M s ). Reduceres det påførte felt, afmagnetiseres materialet, men når det påførte felt bliver nul, er der en tilbageblivende magnetisering i materialet. Dette kaldes den magnetiske remanens (M r ), og materialet er da en permanent magnet. Fuldstændig afmagnetisering kan opnås ved et modsatrettet felt med feltstyrken (H c ). Størrelsen på dette felt beskriver materialets magnetiske stabilitet og kaldes koerciviteten. Koerciviteten bestemmes af, i hvor høj grad materialets krystalstruktur favoriserer den givne magnetiseringsretning. Øges feltet fortsat fører det til magnetisk mætning i den modsatte retning, og vendes feltet igen, kan hysteresekurven lukkes. Det maksimale energiprodukt (BH max ) er et mål for en permanent magnets totale ydeevne, og det er defineret som arealet af det størst mulige rektangel, som kan placeres under hysteresekurven i koordinatsystemets 2. kvadrant. På Institut for Kemi ved Aarhus Universitet bruger vi et såkaldt vibrations-magnetometer til at måle materialers magnetiske egenskaber. Her vibreres prøven i en opsamlingsspole, mens den udsættes for et homogent eksternt magnetfelt. Ved at variere den pålagte magnetfeltstyrke og retning og samtidig måle det inducerede magnetfelt i prøven kan man bestemme materialets hysteresekurve. Ud fra hysteresekurven kan mætningsmagnetisering, remanens, koercivitet og det maksimale energiprodukt bestemmes. Men før vi fortæller mere om dette materiale, skal vi først se nærmere på magnetisme som fænomen. Permanente magneter Under en forelæsning den 21. april 1820 opdagede H. C. Ørsted, hvordan en kompasnål afveg fra den magnetiske nordpol, når kompasnålen blev placeret i nærheden af en strømførende ledning. Eksperimentet illustrerer den direkte relation mellem elektricitet og magnetisme, som er grundlæggende for elektromagnetismen. Udslaget af kompasnålen skyldes, at elektronernes bevægelse i ledningen skaber et magnetisk felt. Vikles ledningen til en spole, kan det frembragte magnetfelt forstærkes proportionalt med antallet af vindinger. Spolen er afhængig af en ekstern strømforsyning for at skabe et magnetfelt. Omvendt er det muligt at inducere en elektrisk strøm ved at bevæge en magnet gennem spolen. Til sammenligning er et permanent magnetisk materiale ikke afhængigt af ydre faktorer for at skabe et magnetfelt. Magnetismen er fundamentalt forankret i kvantemekanikken, og forudsætningen er tilstedeværelsen af uparrede elektroner. I stil med elektronernes bevægelse i ledningen i H. C. Ørsteds eksperiment giver elektronernes spin (rotation om egen akse) og bane rundt om atomkernerne også anledning til et magnetfelt på atomart niveau. De små magnetfelter eller magnetiske momenter illustreres ofte som en pil, der angiver retningen af det magnetiske moment fra syd til nord. De fleste materialer vil på grund af elektronparring have lige mange modsatrettede små magnetfelter, og på makroskopisk skala bliver det totale magnetfelt således nul. For permanente magnetiske materialer skaber ordning af uparrede elektroner imidlertid et overtal af små magnetfelter, som peger i samme retning, og materialet skaber således et overordnet ydre magnetfelt. Magnetfeltets styrke afhænger af antallet af uparrede elektroner i materialet, krystallernes størrelse og krystalstrukturen, dvs. atomernes placering i krystalgitteret. Aktuel Naturvidenskab

19 16 NANOTEKNOLOGI Magnetismes afhængighed af størrelse Domænevæ Illustration af magnetisme på forskellige længdeskalaer. Længst til venstre findes uparrede elektroner på fm (femtometer) længdeskala. For nanopartikler < 10nm vil den termiske energi medføre, at det magnetiske moment uafbrudt ændrer retning og materialet er derfor superparamagnetisk. I intervallet nm består nanopartiklerne af ét magnetisk domæne. Det er den ideelle størrelse til brug i permanente magnetiske materialer. Bliver krystalkornene større, inddeles de i flere magnetiske domæner, som adskilles af domænevægge. De forskellige orienteringer af magnetiske momenter i domænerne betyder, at det magnetiske felt fra materialet udslukkes. Illustration af bottom-up tilgangen til fremstilling af et permanent magnetisk materiale fra femtometer- til centimeter-skala. Startende fra venstre ses en uparret elektron, som giver anledning til et magnetisk moment. Dernæst ses et jern-atom koordineret til ilt-atomer, og denne struktur placeres i en nanometer-stor enhedscelle. Størrelse og form af nanokrystallerne kontrolleres for at skabe en enkeltdomæne magnetisk krystal på nm. På mikrometerskala arrangeres enkeltdomæne-krystallerne med deres magnetiske akse pegende i den samme retning. Endeligt presses krystallerne til piller på millimeter-centimeter-skala. Forfatterne Henrik Lyder Andersen er videnskabelig assistent lyder@chem.au.dk Anna Zink Mortensen er studerende alifezink@gmail.com Mogens Christensen er lektor mch@chem.au.dk Alle ved Institut for Kemi og inano, Aarhus Universitet. Magnetisme på nanoskala Nogle magnetiske materialer har en foretrukken magnetiseringsretning, som bestemmes af krystalstrukturen. Den foretrukne magnetiseringsretning kaldes den lette magnetiseringsakse og skyldes, at krystalstrukturen ikke er ens i alle retninger. Ligesom atomerne ordner sig i et krystalgitter ved at minimere energien, ligeledes er der også en vekselvirkning mellem de magnetiske momenter, som giver en energigevinst, når de ordnes i forhold til hinanden. For meget små magnetiske nanokrystaller (< 10 nm) vil den termiske energi overstige energigevinsten ved at ordne elektronernes magnetiske momenter. De magnetiske momenter vil derfor uafbrudt ændre retning op og ned langs den lette magnetiseringsakse. For beskueren synes krystallerne derfor ikke at være magnetiske man siger, at de er superparamagnetiske. Når størrelsen på krystallerne øges, vil de på et tidspunkt opnå en størrelse (> 10 nm), hvor magnetiseringsretningen er stabil. For endnu større krystaller (>200 nm) vil de atomare vekselvirkninger, som får materialet til spontant at have en enkelt magnetiseringsretning, ikke længere være i stand til at ensrette de atomare magnetiske momenter. Det skyldes den store mængde potentielle magnetiske energi, som opbygges i materialet. I stedet opstår der i materialet forskellige magnetiske retninger, og materialet siges at danne magnetiske domæner. Inden for et magnetisk domæne har atomerne samme magnetiseringsretning. Domænerne adskilles af såkaldte domænevægge, hvori atomernes magnetisering gradvist ændres til retningen i det tilstødende domæne. Den tilfældige orientering af de magnetiske domæner giver materialet en makroskopisk magnetisering på nul. Et permanent magnetisk materiale kan makroskopisk set karakteriseres ved en kurve, der beskriver, hvordan materialets magnetisering varierer som funktion af et pålagt magnetfelt. En vigtig faktor er her remanensen, der beskriver i hvilken grad materialet kan blive permanent magnetiseret ved at pålægge et eksternt magnetfelt og fjerne det igen (hvilket man fx udnytter i harddiske). Den anden vigtige faktor er koerciviteten, der beskriver materialets magnetiske stabilitet, og som er bestemt af i hvor høj grad materialets krystalstruktur favoriserer den givne magnetiseringsretning. Aktuel Naturvidenskab

20 NANOTEKNOLOGI 17 Fremstilling af strontium-hexaferrit Magnetiske nanokrystaller af strontium-hexaferrit (SrFe 12 O 19 ) kan fremstilles ved hydrotermal syntese, som er en relativt simpel, billig og energieffektiv metode til fremstilling af funktionelle materialer. Ved hydrotermal syntese foregår den kemiske reaktion i en trykkoger ved temperaturer og tryk over 100 C og 1 bar. Vands egenskaber som opløsningsmiddel varierer med temperatur og tryk, og drastiske ændringer opnås ved det såkaldte kritiske punkt, dvs. ved en temperatur på 374 C og et tryk på 221 bar. Over det kritiske punkt er vandet i en fjerde tilstandsform den superkritiske fase, som har tæthed som en væske, mens mobiliteten er sammenlignelig med gassers. De fremstillede krystallers størrelse og form kan styres ved justeringer af temperatur og tryk i reaktoren. Derudover har ændringer i reaktionsparametre som ph, reaktantkoncentration og reaktionstid også indflydelse på produktet. Billedet viser et kontinuert flow-apparat, som anvendes til hydrotermal syntese af magnetiske nanokrystaller. Det opsamlede produkt vaskes gentagne gange med vand og ethanol og centrifugeres for at adskille nanokrystallerne fra væsken. Prøven tørres derefter for at opnå et magnetisk nanokrystalpulver, som til sidst presses til en pille. Et højtydende permanent magnetisk materiale skal besidde både en høj magnetisering og en stor magnetisk stabilitet. Det gælder eksempelvis de magneter, som sidder i en mobiltelefons højtaler og motoren i vibratoren. Strontium-Hexaferrit et lovende materiale Neodym-magneter (Nd 2 Fe 14 B) er karakteriseret ved både at have høj remanens og høj koercivitetet. Det skyldes henholdsvis de mange uparrede elektroner og en krystalstruktur, hvor atomernes indbyrdes placering er meget forskellig langs de tre rummelige akser. Et alternativ til neodymmagneter kan således forventes at have en krystalstruktur, som er forskellig langs de krystallografi ske akser. Strontium-hexaferrit (SrFe 12 O 19 ) er netop sådan et materiale. Strontium-hexaferrit og Nd 2 Fe 14B ligner hinanden strukturelt ved at have én krystallografi sk akse, som er væsentligt længere end de andre akser. I begge tilfælde medfører det en specifi k let magnetiseringsakse langs den lange krystallografi ske akse, hvilket giver materialerne en enestående koercivitet. Fordelen ved strontium er, at det er langt billigere end neodym. Grundlæggende er strontium-hexaferrit opbygget af de samme atomare lag, som findes i det mest kendte magnetiske materiale, magnetit (Fe 3 O 4 ). Begge krystalstrukturer består af den tættest mulige pakning af iltatomer. Dog adskiller strontium-hexaferrit sig fra magnetit ved at bryde symmetrien og udskifte enkelte iltatomer i hvert femte lag med strontiumatomer. Denne beskedne ændring er nok til at give strontium-hexaferrit en koercivitet, som er omkring 40 gange større end magnetit. Strontium-hexaferrit er dermed et glimrende udgangspunkt for udvikling af bedre permanente magnetiske materialer. Yderligere forbedringer af de magnetiske egenskaber kan opnås ved at styre nano- og mikrostrukturen af materialet. Som forklaret tidligere vil et magnetisk materiale over en vis størrelse inddele sig i magnetiske domæner, som reducerer den overordnede magnetisering, idet domænerne har forskellige magnetiseringsretninger. Er krystallerne tilstrækkeligt små, vil de bestå af et enkelt magnetisk domæne, men reduceres størrelsen for meget, vil krystallerne blive superparamagnetiske. Der findes således en gylden mellemstørrelse, hvor krystallerne består af et enkelt magnetisk domæne og samtidig fastholder det mag- Aktuel Naturvidenskab

21 18 NANOTEKNOLOGI Videre læsning Aktuel Natuvidenskab: Krystallografi - Kemiens genfundne værktøj, samt Nanopartikler på samlebånd, netiske moment. For at opnå materialer med gode magnetiske egenskaber er det med andre ord afgørende at kunne styre nanokrystallernes størrelse og orientering, når den makroskopiske magnet skal opbygges. Magneter på pilleform Man kan opnå denne kontrol på nanoskala ved at danne strontium-hexaferrit som små flade hexagonale krystaller med den lette magnetiseringsakse vinkelret på den flade side. Når man pakker krystallerne på denne måde, er de mekanisk forhindret i at dreje sig efter eksterne magnetiske påvirkninger. Et pulver af magnetisk stabile enkeltdomænekrystaller kan således presses sammen til en tæt pille for at skabe et færdigt materiale med en høj magnetisk ydeevne. Ved Center for Materiale Krystallografi på Aarhus Universitet, er det lykkedes os at fremstille strontium-hexaferrit med den ønskede krystalstruktur, hvor én krystallografisk akse er signifi kant forskellig fra de andre akser. Udførlige undersøgelser af, hvordan forskellige reaktionsparametre har indflydelse på dannelsen af krystaller ved hydrotermal syntese, har gjort det muligt at fremstille nanokrystaller med specifi k størrelse og form efter behov. Lige nu ligger udfordringen i at presse krystallerne til en pille af det endelige magnetiske materiale. Det skyldes, at det høje tryk og temperaturen under presningen kan få krystallerne til at vokse, ændre orientering eller i værste fald forårsage en faseændring. De indledende forsøg har dog vist, at det er muligt at presse piller af materialet med høj densitet og gode magnetiske egenskaber. I fremtiden er målet at karakterisere nanokrystalstørrelsens indflydelse på de magnetiske egenskaber for yderlige at optimere magneternes ydeevne. Karakterisering af størrelse og form Den atomare struktur af krystallinske materialer kan undersøges med pulver-røntgendiffraktion. Røntgendiffraktion er et interferensfænomen i krystallinske materialer, hvori de interatomare afstande er i samme størrelsesorden som røntgenstrålens bølgelængde. Når en monokromatisk røntgenstråle rammer atomerne i krystalgitteret, vil disse udsende røntgenstråling i alle retninger med samme bølgelængde som den indkomne stråling. For langt de fleste retninger, vil strålingen fra de forskellige atomer være ude af fase, og der sker destruktiv interferens. For bestemte retninger er bølgerne imidlertid i fase og giver anledning til en øget intensitet ved en bestemt vinkel. For vinklerne med konstruktiv interferens er to betingelser opfyldt: 1) Strålen reflekteres i et givent sæt af kry- Illustration af kriteriet for konstruktiv interferens mellem røntgenstråler reflekteret i forskellige krystalplaner givet ved Bragg s lov stalplaner i materialet, dvs. ind- og udfaldsvinkel er den samme og 2) de reflekterede bølger fra krystalplansættene er i fase med hinanden. Fasebetingelsen er opfyldt, når bølger reflekteret i naboplaner har tilbagelagt en ekstra vejlængde svarende til et helt antal bølgelængder. Intensitet Ved hjælp af simpel trigonometri kan sammenhængen mellem diffraktionsvinkel og afstand mellem naboplaner udledes. Relationen kaldes Bragg s lov og er givet ved, λ=2dsin(θ). Her er λ røntgenstrålens bølgelængde, d er afstanden mellem to nabokrystalplaner og θ er ind- og udfaldsvinklen. Fra diffraktionsretningerne kan de interplanare afstande i krystallen findes, og ud fra dem kan atomernes præcise positioner og krystalstrukturen bestemmes ( ) Pulver-røntgendiffraktionsmønster af SrFe 12 O 19. Krystallernes form som illustreret bestemmes ud fra de forskellige bredder af diffraktionstoppene fra de forskellige krystallografiske retninger. Den spredte intensitet som funktion af vinklen på en pulverprøve giver anledning til et pulverdiffraktogram. Ved omhyggelig computeranalyse af pulverdiffraktionsmønstre kan krystalstrukturen, størrelsen, indbyrdes orientering og meget mere bestemmes. Aktuel Naturvidenskab

22 19 Måling med neutroner Neutronspredning kan bruges til at bestemme den magnetiske struktur på atomart niveau. Neutroner kan ligesom røntgenstråling sprede fra atomerne i krystalgitteret, men udover at vekselvirke med atomkernen bærer neutronerne også et magnetisk moment, som kan vekselvirke med de magnetiske momenter i prøven. I princippet kan en neutron betragtes som en lille stangmagnet, som vekselvirker med de atomare magnetiske momenter i prøvematerialet. Denne egenskab gør neutroner til et uundværligt værktøj til undersøgelse af magnetiske materialer. Desværre er det forholdsvis svært at producere neutronerne, som kræves for at kunne udføre magnetiske spredningsforsøg. Neutronspredningsforsøg kræver adgang til enten en forskningsatomreaktor eller en såkaldt spallationskilde. Verdens kraftigste neutronspallationskilde The European Spallation Source (ESS) er netop nu under konstruktion i Lund, Sverige, kun 60 km fra København. De første neutroner vil blive produceret i 2019, og faciliteten vil muliggøre helt nye neutronspredningsforsøg, som ikke kan udføres i dag. ESS vil gøre det muligt at nå nye landvindinger inden for magnetiske materialer. Arkitekttegning af The European Spallation Source (ESS). Illustration: ESS Illustration af neutronens vekselvirkning med ordnede atomare magnetiske momenter i et krystalgitter. Presningen er et kritisk trin i fremstillingen af det magnetiske materiale og er endnu ikke fuldt forstået. Nyt udstyr vil tillade os at undersøge materialet ved hjælp af røntgendiffraktion mens pillerne presses, og dermed kan vi undersøge presningens effekt på nanokrystallernes størrelse og orientering. Vi forventer derfor, at vi indenfor en overskuelig tidshorisont vil blive i stand til at producere magneter med bedre egenskaber end de konventionelle kommercielle hexaferritmagneter. Aktuel Naturvidenskab

23 E2: Nanomedicin: Ferrofluids til kræftbehandling - Elevvejledning Nanomedicin: Ferrofluids til kræftbehandling Formål I dette eksperiment skal du udvikle en metode til levering af kræftmedicin til lungerne ved hjælp af ferrofluids. Materialer Beholder med ferrofluid (1.) Beholder med jernpulver i olie (2.) Tom inhalator Tomme medicinkapsler Magnet Sprøjte (uden nål) Materialer til præsentation af gruppens forslag (papir, tusch, overheads, projektor eller lign.) Teori Et af de store problemer ved den medicin til behandling af kræft, der findes i dag, er, at meget af medicinen slet ikke når frem til det kræftramte område i kroppen. I stedet spreder den sig til resten af kroppen og fremkalder alvorlige bivirkninger. Derfor arbejder læger og forskere hårdt på at udvikle nye metoder til at transportere medicin frem til kræftknuderne, såkaldte drug delivery -metoder. Håbet er at udvikle metoder, som er mere præcise og derfor også mere effektive og som giver færre bivirkninger. I dette eksperiment skal du sammen med din gruppe forsøge at udvikle en ny metode til levering af medicin til en patient med lungekræft. Forskere har udviklet en nyt og meget lovende lægemiddel, men desværre er stoffet meget giftigt og må ikke sprede sig fra lungerne til kroppens øvrige organer. Det er derfor vigtigt, at det nye lægemiddel leveres direkte til lungerne og bliver der, indtil det absorberes af kræftvævet. Din gruppe skal udvikle den bedst mulige drug delivery -metode ved hjælp af materialerne, som din lærer udleverer. Du skal bruge din viden om lungernes og blodkredsløbets anatomi samt 1

24 E2: Nanomedicin: Ferrofluids til kræftbehandling - Elevvejledning den viden om ferrofluids, du har fået ved at læse baggrundsartiklen og ved at udføre eksperiment E1: Fremstilling af ferrofluids. Nyttig viden: - Lægemidler kan trænge ind i lungerne via blodet eller den luft, vi indånder. - Lægemidler indgivet oralt (via munden) eller med en sprøjte frigives i blodet, mens lægemidler fra en inhalator, kommer ned i lungerne. Herfra er det dog muligt for stoffet at trænge over i blodet. 2

25 E2: Nanomedicin: Ferrofluids til kræftbehandling - Elevvejledning 1. Brainstorming (25 min) Kig på de udleverede materialer. Undersøg deres egenskaber og udfyld skemaet bagerst i vejledningen. Noter hvilke egenskaber der taler for at bruge materialet til dosering eller transport af lægemidlet, og hvilke der taler imod. I har nu 25 min. til at finde på en effektiv metode til levering af lægemidlet til lungerne. Husk at: - det nye lægemiddel skal leveres direkte til lungerne og - det skal blive i lungerne, indtil det absorberes af kræftvævet. Skriv jeres forslag ned på et stort ark papir og forklar hvorfor I mener, jeres metode virker. 2. Præsentation af hver gruppes forslag for resten af klassen (10 min.) 3. Minidebat (10 min.) Debat om hvilket forslag, der bedst opfylder de specificerede krav til leveringsmetoden. 3

26 E2: Nanomedicin: Ferrofluids til kræftbehandling - Elevvejledning Arbejdsskema til brainstorming Materiale For Imod Beholder med ferrofluid Beholder med jernpulver i olie Inhalator Medicinkapsler Magnet Sprøjte 4

27

28

29

30