Nanomagneter skaber gennembrud Af Rolf Haugaard Nielsen, videnskabsjournalist

RISØNYT N O 1 2003 Nanomagneter skaber gennembrud Af Rolf Haugaard Nielsen, videnskabsjournalist Nanomagneter er bittesmå krystaller med et tværsnit på få milliontedele af en millimeter. De ekstremt små magneter skaber gennembrud indenfor databehandling, sensorer og medicinsk diagnostik. Du vil aldrig nogensinde se en nanomagnet med det blotte øje. Magneterne er så små, at der er 70 billarder af dem i et gram. Diameteren af magneterne er kun mellem 5-30 milliontedele af en millimeter. Nanomagneter er et nyt eksempel på, at småt er godt i fremtidens teknologi. Og der er nok af potentielle anvendelser. De små magneter er perfekte til flowsensorer, der måler strømninger i gasser eller væsker. Strømningernes hastighed og bevægelser kan bestemmes ved at følge nanomagneternes magnetfelter i væsken. I medicinsk diagnostik kan nanomagneter kobles til stoffer, som binder sig til kræftsvulster, hvorefter placeringen af bittesmå svulster kan afsløres ved at måle magnetfeltet udefra. Man eksperimenterer også med at koble medicin til nanomagneter. Her er målet at dirigere lægemidlet hen til det ønskede virkningssted i kroppen ved hjælp af ydre magnetfelter. Nanomagneter er perfekte til brug i biologiske organismer, fordi de er så små, at de uden hindringer kan transporteres gennem levende væv. Men det er især indenfor elektronik og databehandling, at nanomagneter vil flytte grænser for, hvad informationsteknologi kan præstere. Her er nanomagneterne blandt andet egnede som byggesten i nye magnetiske komponenter, der bruges til hukommelse eller logiske operationer. For nylig har amerikanske forskere vist, at nanomagneter kan skifte magnetfeltets retning med en hastighed på 165 billiontedele af et sekund. Samtidig kan nanomagneter i princippet gøre noget, som en RAM-klods med transistorer af silicium ikke kan: Alle data bevares uden behov for konstant strømforsyning. Det gør nanomagneter interessante i mobiltelefoner, digitale kameraer og anden bærbar elektronik. Nanomagneter er så små, at de opfører sig anderledes end makroskopiske magneter, og nanomagneters egenskaber er langt fra fuldt forstået endnu. - Derfor er der behov for en gennemgribende karakterisering af nanomagneternes opførsel. Det er en forudsætning for 31

RISØNYT N O 1 2003 SÅDAN FÅR MATERIALER ANDERLEDES FYSISKE EGENSKABER E-mail: luise.theil.kuhn@risoe.dk "Vi er nødt til at finde ud af, hvorfor nanopartikler er magnetisk ustabile, hvis vi skal udvikle metoder til at fastlåse magnetfeltet. Og det er nødvendigt for at kunne udnytte nanomagneter i ekstremt små og hurtige harddiske," siger Luise Theil Kuhn. Sputtermaskinen er udviklet på Niels Bohr Institutet for Astronomi, Fysik og Geofysik, Københavns Universitet. Den vil blive flyttet til Risø i nær fremtid. at udnytte dem teknologisk, siger Luise Theil Kuhn fra Afdelingen for Materialeforskning. Magneter ad libitum Skal man karakterisere, må man først producere, og Risø er nu klar til at fremstille masser af nanomagneter, hvilket kan gøres både med fysiske og kemiske metoder. Den fysiske metode, som Luise Theil Kuhn og hendes kolleger anvender, kaldes sputtering. For at fremstille nanomagneter af jern anbringes en hul jerncylinder i en strømmede gas af argon. Systemet påtrykkes en høj elektrisk spændingsforskel, og argonioner i gassen accelereres op til høje energier af det elektriske felt med det resultat, at de ramler ind i jernet og slår jernatomer fri. Som damp fra en kedel flyver jernatomerne derpå ind i et vacuumkammer, hvor de kondenserer til små nanomagneter, der herefter kan opsamles på en overflade. "Metoden har den styrke, at nanomagneterne er helt perfekte krystaller. Svagheden er, at det er svært at styre størrelsen af magneterne, og størrelsen er vigtig for egenskaberne. Samtidig fremstilles der kun få partikler ad gangen," siger Luise Theil Kuhn. Hvis man vil producere mange nanomagneter, er en ny kemisk metode bedre. Her blandes olie i vand sammen med et overfladeaktivt molekyle, og da olie er vandskyende, dannes der små, hule kugler af olie med vand indeni. Opløsningen ligner sæbeskum, hvor boblerne er i nanometerstørrelse, og de kaldes miceller. Når salte af jern eller andre metaller blandes i opløsningen, trænger saltene ind i micellerne, hvor jernet udfældes til kuglerunde partikler, mens restsaltet kan fjernes med en kemisk reaktion. Størrelsen af micellerne kan kontrolleres ad kemisk vej, og på den måde kan man fremstille ens nanomagneter i veldefinerede størrelser. Ulempen ved metoden er, at der er risiko for urenheder i de små nanomagneter. "Den fysiske metode er bedst, når vi ønsker at undersøge egenskaberne af individuelle magneter. Den kemiske metode er bedst, når vi har brug for milligram eller gram af ens nanomagneter. Samtidig er den kemiske metode egnet til at blive opskaleret til industriel produktion," siger Luise Theil Kuhn. Anderledes opførsel I dag har fysikere godt tjek på magnetisme i makroskopiske ting som stangmagneter og en god forståelse af magnetisme på atomart niveau. Men nanomagneter har en størrelse, som gør, at de lander midt i mellem to stole; den klassiske fysik og kvantemekanikken. En nanomagnet er underlagt de samme påvirkninger fra magnetfelter som en stor stangmagnet, men samtidig vil en nanomagnets reaktion på et magnetfelt være bestemt af dens kvantemekaniske egenskaber, fordi den kun indeholder få atomer - typisk 100 til 100.000 atomer. Nanomagneternes særlige egenskaber har stor betydning for deres anvendelse i informationsteknologi. Tag fx en magnetisk harddisk, hvor data i dag lagres i mikromagneter. Når feltet i en magnet vender en vej, er det lig med et 1-tal, og når feltet vender modsat, er det lig med et 0. Arbejdshastigheden og informationstætheden i en harddisk kan øges betydeligt, hvis man udskifter mikromagneterne med tusind gange mindre nanomagneter. Men i praksis er det ikke så lige til. For mens mikromagneter bevarer magnetfeltet stabilt ved stuetemperatur, kan nanomagneter ændre orienteringen, så de lagrede data går tabt. "Vi er nødt til at finde ud af, hvorfor nanopartikler er magnetisk ustabile, hvis vi skal udvikle metoder til at fastlåse magnetfeltet. Og det er nødvendigt for at kunne udnytte nanomagneter i ekstremt små og hurtige harddiske," siger Luise Theil Kuhn. I en stangmagnet af jern fungerer alle atomerne som magnetiske kompasnåle med en nordpol og en sydpol. Når jernstangen er magnetiseret, vender alle de små kompasnåle samme vej. Magnetfeltet svækkes, hvis man varmer jernstangen op, og ved 800 grader forsvinder feltet helt. Det skyldes, at varmen skaber uorden i de små atomare kompasnåle, så de peger i alle retninger. Nanomagneter af jern er så små, at magnetfeltet begynder at fluktuere allerede ved temperaturer på over minus 260 grader, hvilket nødvendiggør dyre kølemetoder som flydende helium. Derfor er der behov for at udvikle metoder, som kan gøre nanopartiklerne magnetisk stabile ved højere temperaturer, så de kan anvendes i forbrugerelektronik. En af vejene frem kan være legeringer. Forsøg har for eksempel vist, at nano-

R I S Ø N Y T N 1 2003 O magneter af jern og platin er bedre til at nanomagneter finansieret af Statens fastlåse et magnetfelt end nanomagneter Teknisk Videnskablige Forskningsråd. De af rent jern. danske partnere er Danmarks Tekniske Magnetismen i en nanomagnet er meget "Vi undersøger nanomagneters opførsel i Universitet og Københavns Universitet, anderledes end i en almindelig stang- hele temperaturområdet fra minus 270 mens magnet, og det skyldes især, at overfla- grader til stuetemperatur ved forskellige forskningsinstitutioner i USA, Tyskland, den er ekstremt stor i forhold til nanopar- magnetfelter. Ved at studere nanomagne- Schweiz, Sverige, England og Belgien plus tiklens indre. ter af forskellige størrelser og materialer store firmaer som Philips og Seagate. I en stangmagnet af jern er næsten alle håber vi på at forstå hvilke fysiske meka- "På verdensplan eksploderer antallet af atomerne omgivet på alle sider af andre nismer, der styrer deres egenskaber og forskere på området, men de fleste er til- jernatomer, men i nanomagneter sidder finde ud af, hvilke nøgler man skal dreje knyttet elektronikindustrien og mest inter- en stor del af atomerne i overfladen, hvor på for at øge nanopartiklernes magnetiske esseret i udvikling. På Risø satser vi på at de mangler naboer, og det ændrer deres stabilitet," siger Luise Theil Kuhn. skabe en grundlæggende videnskabelig Magnetisme i nanoskala de internationale partnere er forståelse af nanomagneter, som måske egenskaber. Samtidig er nanomagneter så små, at kvanteeffekter spiller ind, hvil- Bredt samarbejde med tiden kan føre til teknologiske land- ket kan få magnetfeltet til at vende spon- Risø deltager i et bredt nationalt og inter- vindinger," siger Luise Theil Kuhn. tant, selv om temperaturen er lav. nationalt samarbejde omkring forskning i Risø bruger især neutronspredning til at karakterisere magnetismen i nanomagneter. Neutroner er gode til at undersøge Sådan laves magnetiske nanopartikler Den fysiske metode: Sputtering magnetisme, fordi neutronerne selv er magnetiske og vekselvirker direkte med de magnetiske momenter i prøven. Desuden kan neutronerne føle magnetis- Katode, negativt ladet hul metalcylinder, bombarderes med argonioner, metalatomer slås fri Damp af metalatomer afkøles, fortættes til dråbe og til metalnanopartikel ke fluktuationer. Forsøgene udføres på Paul Scherrer Instituttet i Schweiz. Andre metoder er absorption af intens gammastråling, såkaldt Møssbauer spektroskopi, eller røntgenstråling. Røntgenstrålingen produceres på synkrotroner som ESRF i Grenoble og Hasylab i Hamborg. Ved bestemte bølge- Den kemiske metode: Inverse miceller Miceller med vand og metalsalt, FeSO4 længder af røntgenstrålingen har lyspartik- Salt fjernes, metal udfældes lerne netop den energi, der skal til for at Vask og tør slå en elektron ud af sin skal og løfte den op til et højere energiniveau. Røntgenstrålingens evne til at flytte elektroner mellem skallerne giver et fingeraftryk af materialets magnetiske struktur. metalnanopartikler Miceller med vand og saltfjerner, NH4OH 33

Fremstilling af ferrofluids Eksperiment 1: Fremstilling af ferrofluids - Elevvejledning Formål I dette eksperiment skal du fremstille nanopartikler af magnetit og bruge dem til at lave en magnetisk væske, et såkaldt ferrofluid. Apparatur og kemikalier 150 ml glas Pipette Stangmagneter af forskellig styrke En kraftig magnet Vejeskål Mønter af forskellig vægt 1M FeCl 3 opløsning 2M FeCl 2 opløsning 0,5 M ammoniumhydroxid-opløsning (NH 4 OH) 25% tetramethylammoniumhydroxid-opløsning ((CH 3 ) 4 NOH)/TMAH Teori Et ferrofluid, er det vi på dansk kalder en magnetisk væske. I virkeligheden findes der dog ikke magnetiske væsker, da magnetisme er en egenskab, som kun findes i faste stoffer. 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, 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 i opløsning. 1

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

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

Eksperiment Eksperiment 1: Fremstilling af ferrofluids - Elevvejledning 1. Hæld 4 ml FeCl 3 opløsning og 1 ml FeCl 2 opløsning i et 150 ml glas og rør rundt. 2. Tilsæt én dråbe ad gangen 50 ml 0,5 M ammoniumhydroxid til jernkloridopløsningen, samtidigt med at du rører rundt. Det er meget vigtigt, at ammoniumhydroxiden tilsættes langsomt, dvs. dråbe for dråbe. Bliv ved med at røre rundt til alt ammoniumhydroxiden er tilsat. Under tilsætningen af ammoniumhydroxiden vil der dannes et sort bundfald. Det er magnetitpartiklerne. 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. 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. 4

Eksperiment 1: Fremstilling af ferrofluids - Elevvejledning 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. 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. 11. Når prøven er godt blandet, hældes den overskydende sorte væske fra, mens magneten holdes under vejeskålen som før under skylningen. 12. Bevæg magneten rundt under vejeskålen med den magnetiske væske, indtil væsken danner pigge. 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 og gentag nu bevægelsen med magneten under vejeskålen. Hvad sker der? Prøv dig frem med magneter af forskellige styrker og mønter a f forskellig vægt. 5

Eksperiment 1: Fremstilling af ferrofluids - Elevvejledning 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 8. Kom med nogle eksempler på, hvor magnetiske væsker kunne være nyttige. i Rexton Nyhedsbrev, juni 2005, nr. 3: http://www.hoergeraete-siemens.de/00_dk/b2b/06_nyhedsbreve/nyhedsbrev_3_0605.pdf ii http://www.sciencedaily.com/releases/2005/06/050621074514.htm 6

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

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

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

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