Selbstkonsistenter Ansatz für magnetische weiche Materie

In diesem Projekt wird das Verhalten von magnetischen Kolloiden in flüssigen und Gel-Trägern in magnetischen Wechselfeldern mit Hilfe von Computersimulationen untersuchen, um einerseits das fundamentale Wechselspiel zwischen Form und Art auf die Kolloidpartikel wirkenden magnetischen, mechanischen und hydrodynamischen Kräfte und der daraus resultierenden dynamischen magnetischen Antwort zu beleuchten und andererseits die effizientesten Systeme für Anwendungen in der Hyperthermie zu finden. Hyperthermie findet beispielsweise in der Krebsbehandlung Anwendung. Die Beantwortung dieser höchst relevanten Forschungsfragen benötigen einen qualitativ völlig neuen Ansatz, der sowohl die intrinsische Magnetisierungsdynamik der Partikel als auch ihre räumliche Diffusion/Selbstorganisation der Partikeln berücksichtigt. Das SAM-Projekt bringt Experten aus zwei verschiedenen Bereichen zusammen, um das Feld der molekularen Dynamik magnetischer Kolloide mit dem Feld der thermisch aktivierten Mikromagnetik zu verschmelzen. Das Ergebnis dieser Synergie wird eine selbstkonsistente Lösung der Langevin- Bewegungsgleichungen für magnetische Kolloide in Kombination mit der Magnetisierungsdynamik einzelner Partikel sowohl in flüssigen als auch in Gelträgern bei finiter Temperatur sein. Ein solcher Ansatz kann aufgrund der einzigartigen Kombination von Fachwissen des PI und des nationalen Forschungspartners konstruiert werden: grobkörnige molekulardynamische Simulationen von magnetisch weicher Materie (PI) und Mikromagnetik (nationaler Forschungspartner). Eine wichtige Anwendung des entwickelten Ansatzes wird die Untersuchung der Hyperthermie sein. Das entwickelte Modell wird es ermöglichen, sowohl Neel- als auch Brownsche Erwärmungsmechanismen innerhalb desselben Modells zu untersuchen, wodurch es möglich sein wird, den Beitrag und die Bedeutung beider als Funktion der Eigenschaften der magnetischen Partikel (magnetische Anisotropie, Sättigungsmagnetisierung, Form, Größe und Dichte) sowie die Eigenschaften des Trägers (Viskosität für Flüssigkeiten und Elastizität für Gele) im Detail zu untersuchen. SAM führt die Physik des Mikromagnetismus und der Weichen Materie zusammen. Diese beiden Bereiche entwickeln sich bisher hauptsächlich parallel, ungeachtet des potenziellen Gewinns und der positiven Auswirkungen von Kooperationen. Ein solches gemeinsames Projekt, die Dynamik der magnetischen weichen Materie grundlegend zu verstehen, ist essentiell, um bei der Entwicklung neuer funktionaler Materialien für Hyperthermie realisieren zu können.

Magnetische Kolloide - winzige magnetische Partikel, die in Flüssigkeiten oder weichen Gelen verteilt sind - spielen eine Schlüsselrolle in vielen neuen Technologien, insbesondere in biomedizinischen Anwendungen wie der magnetischen Hyperthermie zur Krebsbehandlung. In solchen Systemen führen äußere wechselnde Magnetfelder dazu, dass sich die Partikel bewegen, drehen und ihren magnetischen Zustand ändern. Dadurch wird Wärme erzeugt oder andere gezielt nutzbare Effekte treten auf. Wie effizient und kontrollierbar diese Prozesse sind, hängt in komplexer Weise von der Größe, Form und inneren Struktur der Partikel sowie von ihrer Wechselwirkung mit der umgebenden Matrix ab. Trotz ihrer großen Bedeutung ist der grundlegende Zusammenhang zwischen der inneren magnetischen Dynamik einzelner Partikel, ihrer kollektiven Bewegung und Selbstorganisation sowie der daraus resultierenden makroskopischen magnetischen Antwort bislang nicht vollständig verstanden. Um diese Herausforderung zu bewältigen, ist ein neuer, integrierter Ansatz erforderlich, der magnetische und mechanische Effekte gleichwertig berücksichtigt. Das Projekt SAM hat zum Ziel, diese Zusammenhänge systematisch zu untersuchen, indem magnetische Kolloide in flüssigen und gelartigen Umgebungen unter alternierenden Magnetfeldern analysiert werden. Dazu wird ein neuartiger theoretischer und computergestützter Ansatz entwickelt, der sowohl das magnetische Verhalten innerhalb der einzelnen Partikel als auch deren Bewegung und Umlagerung im umgebenden weichen Material beschreibt und dabei auch thermische Fluktuationen berücksichtigt. Auf dieser Grundlage werden die beiden zentralen Mechanismen der Wärmeerzeugung in der magnetischen Hyperthermie - die Néel- und die Brown'sche Relaxation - untersucht. Analysiert wird, wie diese Prozesse von den Eigenschaften der Partikel (wie Größe, Form, magnetische Anisotropie und Magnetisierung) sowie von der Viskosität oder Elastizität des Trägermediums abhängen. Die theoretischen Vorhersagen werden durch magnetische Messungen an experimentell verfügbaren Partikelsystemen überprüft. Durch die Verbindung der Physik des Magnetismus mit der Weiche-Materie-Physik liefert SAM neue grundlegende Erkenntnisse über die Dynamik magnetischer weicher Materialien. Diese Ergebnisse bilden eine wichtige Grundlage für das gezielte Design zukünftiger magnetisch steuerbarer Systeme mit verbesserter Leistungsfähigkeit für biomedizinische und technologische Anwendungen.