Plastikmagnet

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Während die Menschheit schon seit über 2000 Jahren magnetische Mineralien kennt, so ist doch die Geschichte von organischen Magneten vergleichsweise kurz: Erst zehn Jahre ist es her, dass Wissenschaftler erstmals eine organische Verbindung mit magnetischem Verhalten schufen. Weitere Stoffe folgten, doch handelte es sich zumeist um kristalline, aus kleinen Molekülbausteinen aufgebaute Materialien. Nun gelang es Forschern zum ersten Mal, ein magnetisches Polymer herzustellen.

Thorsten Krome

So manche Legende rankt sich um die Entdeckung des Magnetismus: Ein Hirte namens Magnes soll im sechsten Jahrhundert vor unserer Zeitrechnung auf Kreta mit der Eisenspitze gegen ein Erzgestein gestoßen sein, das eine wundersame Anziehungskraft besaß. Das Gestein und das Phänomen würden deshalb seinen Namen tragen. In einer anderen Erzählung lebte der Hirte in der Nähe der Stadt Magnesia in Kleinasien, die damit Namensgeberin wäre. Wie es sich auch immer zugetragen haben mag, fest steht, dass Menschen schon seit mehr als 2000 Jahren magnetische Erze kennen und seit mehreren hundert Jahren Magneten als Richtungsweiser nutzen.

Dabei handelte es sich damals wie heute um metallische Magnete. Denn organische Exemplare kennt man erst seit vergleichsweise kurzer Zeit. Anfang der neunziger Jahre entdeckten japanische Forscher eine organische Stickstoff-Sauerstoff-Verbindung, die stark magnetisch ist, allerdings nur bei sehr tiefen Temperaturen. Zwar stellte unlängst eine russische Forscherin eine Form des Kohlenstoffs vor, die auch bei sehr hohen Temperaturen von über 200 Grad Celsius noch magnetisch ist, doch ist die Herstellung dieses Materials sehr teuer. Ein Polymer-Magnet wäre wünschenswert, denn solche kettenartigen organischen Verbindungen lassen sich vergleichsweise einfach herstellen.

Obwohl der Japaner Noboru Mataga bereits 1968 voraussagte, dass es möglich sein sollte, derartige Kunststoffe zu schaffen, scheiterten bislang alle Versuche. Nichtsdestotrotz widmete sich Andrzej Rajca von der University of Nebraska-Lincoln seit 1988 der Suche nach jenen Verbindungen. Und nun nach langen Jahren der Forschung gelang es ihm schließlich zusammen mit seiner Frau Suchada Rajca und Jirawat Wongsriratanakul, ein magnetisches Polymer herzustellen.

Das Monomer, das kleinste Segment des Polymers, besteht dabei aus einem ringförmigen Teil sowie zwei "Brücken", die sich zum nächsten Element der Kette ausstrecken. Während jede der beiden Brücken den Spin ½ trägt, besitzt die Ringstruktur einen Spin von 2. Je nachdem, ob die Spins des Rings und der Brücken in die gleiche Richtung oder einander entgegen weisen, spricht man von ferromagnetischer oder antiferromagnetischer Kopplung, wobei sich aber in jedem Fall ein magnetisches Moment ergibt.

Wenngleich Messungen an dem Polymer eine starke Magnetisierung anzeigen und darauf hinweisen, dass rund 5000 Spins gleich ausgerichtet sind, so wird es noch ein Weilchen dauern, bis Polymermagneten herkömmliche Magneten ersetzen können – wenn das überhaupt jemals der Fall sein wird. Denn damit das Plastik seinen Magnetismus nicht verliert, muss es auf unter zehn Kelvin abgekühlt und gleichzeitig in Sauerstoff-freier Umgebung bewahrt werden. Selbstredend eignet sich ein derart anspruchsvolles Material noch nicht für eine kommerzielle Nutzung.

Aber immerhin, ein erster Schritt ist gemacht, und die theoretischen Vorhersagen von Mataga scheinen sich zu bewahrheiten. So gilt es als nächstes, ein Polymer zu schaffen, das auch bei hohen Temperaturen, vielleicht sogar bei Raumtemperatur, magnetisch bleibt, denn auch das soll laut Mataga möglich sein.

Rajca meint, dass sich über die Anwendungsmöglichkeiten derartiger Verbindungen nur spekulieren lässt. Zur Illustration vergleicht er die neue Entdeckung mit der der ersten leitfähigen Polymere vor rund zwanzig Jahren: "Damals dachten viele Leute, dass man daraus leichte, leitfähige Drähte herstellen könnte, die Metalle als Leiter ersetzen. Doch zehn Jahre später fand man eine ganze andere Anwendung, nämlich die lichtemittierender Dioden. Und an diesem Produkt arbeiten zur Zeit einige Firmen. Als Ersatz für herkömmliche Leiter eignen sie sich jedoch nicht."