Dynamische Eigenschaften magnetischer Nanopartikel in verschiedenen Matrixmaterialien

Magnetische Nanopartikel haben vielfältige Einsatzbereiche. Die Möglichkeit,
sie durch ein magnetisches Feld manipulieren und steuern zu können,
macht sie für industrielle, bioanalytische und medizinische Anwendungen
interessant. In diesen Gebieten sind die Partikel in der Regel in unterschiedlichsten
Matrixmaterialien, zum Beispiel in Polymeren, Gelen oder
Blut, suspendiert. Die gegenseitige Beeinflussung zwischen den Partikeln
und den sie umgebenden Medien ist für die Anwendung in diesen
Gebieten von großer Bedeutung. Dabei spielt neben der Größe, der Konzentration
und dem Material der Partikel sowie den Eigenschaften des sie umgebenden Mediums auch die Größe des angelegten magnetischen Feldes eine bedeutende Rolle. Dynamische magnetische Messmethoden bieten die Möglichkeit, die Partikel auch in undurchsichtigen Medien zu untersuchen, ohne äußere Kräfte auf die Medien auszuüben, wie das zum Beispiel bei makrorheologischen Untersuchungen der Fall ist.

In dieser Arbeit werden magnetische Nanopartikel mithilfe der AC-Suszeptometrie und der Magnetrelaxometrie in verschiedenen Matrixmaterialien untersucht. Anhand verschiedener theoretischer Modelle werden Rückschlüsse auf die lokalen rheologischen Eigenschaften, wie die dynamische Viskosität und das Schermodul, des umgebenden Mediums gezogen. Dabei wurden sowohl rein viskose als auch viskoelastische Medien verwendet. Bei den Partikelsystemen wurden das Material (zum Beispiel Fe2O3/Fe3O4 und CoFe2O4) und die äußere Form (Kugeln und Stäbe) variiert. Die angelegten Magnetfelder reichen von 90 μT bis zu 9mT. Die erhaltenen Ergebnisse wurden mit Berechnungen und makrorheologischen Vergleichsmessungen validiert.
Es kann gezeigt werden, dass sich besonders die AC-Suszeptometrie gut eignet, um die rheologischen Eigenschaften der Matrix, die die Partikel umgibt, zu bestimmen. Größere Magnetfelder beeinflussen wie die Matrixeigenschaften die Rotationsbewegung der magnetischen Nanopartikel und führen zu zusätzlichen Effekten in den Messergebnissen. Parametrische Messungen, zum Beispiel bei verschiedenen Temperaturen oder bei variierenden Amplituden des Magnetfeldes, können genutzt werden, um eine Trennung der verschiedenen Einflussgrößen zu erreichen. Magnetic nanoparticles have manifold application areas. These particles are attractive for industrial, bioanalytical and medical applications as they can be manipulated and controlled with a magnetic field. In these application areas they are suspended in diverse matrices, e.g., in polymers, gels or blood. The interaction between the matrix materials and the particles is highly relevant for their application. Apart from their size, the concentration and the material of the particles as well as the amplitude of the applied magnetic field play an important role. Dynamic magnetic measurement methods allow to investigate the particles in opaque media without applying force to the respective medium, which would be the case in, e.g., macrorheological investigations.

In this work, magnetic nanoparticles are investigated in different matrices with AC susceptometry and magnetorelaxometry. Conclusions can be drawn on the local rheological properties like viscosity and shear modulus of the surrounding medium by means of different theoretical models. Purely viscous as well as viscoelastic media were used. The material of the particle systems (e.g., Fe2O3/Fe3O4 and CoFe2O4) and the shape of the particles (spheres and rods) were varied. The applied magnetic fields range from 90 μT to 9mT. The obtained results could be validated with calculations and macrorheological comparison measurements.
It can successfully be shown that especially the AC susceptometry is wellsuited for the determination of the rheological properties of the matrix enclosing the particles. Stronger magnetic fields influence the rotational movement of the magnetic nanoparticles and lead to additonal effects in the measurement results. Parametric measurements, e.g., at different temperatures or varying magnetic field amplitudes, can be applied enabling a separation of the different influencing factors.