Wetenschappers maken eerste vloeibare magneet

Natuurkunde De onderzoekers noemen het resultaat van hun werk „compleet onverwacht”. Een gewone magneet bestaat uit vast materiaal.

Beeld Xubo Liu

Ovale druppels van twee millimeter groot, vol nanodeeltjes van ijzeroxide, zijn de eerste vloeibare magneten die mensen hebben gemaakt. Een permanente, vloeibare magneet was nog nooit waargenomen en werd door sommige onderzoekers onmogelijk geacht. De magneetdruppels zijn 3D-geprint en werden deze donderdag gepresenteerd in Science.

Magneten in kompassen, op koelkasten en in MRI-scanners, zijn gemaakt van vaste stoffen, vaak metalen of legeringen. Die bevatten elektronen die zich als magneetjes gedragen met een noord- en zuidpool. Als het materiaal zelf geen magneet is, wijzen die magneetjes in verschillende richtingen. Daardoor heffen ze elkaar op en is er netto geen magneetveld.

Stevige structuur

Als je een extern magneetveld aanbrengt, bijvoorbeeld door er een sterke magneet naast te leggen, dan draaien al die kleine magneetjes in dezelfde richting en wordt het materiaal een magneet. Bij permanente magneten blijft die magnetisatie bestaan als het externe magneetveld weggehaald wordt.

„Normaal heb je een stevige structuur nodig om een permanente magneet te maken”, mailt een van de auteurs, Thomas Russell van de universiteit van Massachusetts Amherst. Er bestaan magnetische vloeistoffen, maar die verliezen hun magnetisatie zodra er geen extern magneetveld is: in een vloeistof kunnen atomen vrij bewegen waardoor de magneetjes snel andere kanten op draaien.

De onderzoekers printten ronde druppeltjes van ongeveer een millimeter groot: een oplossing met magnetische ijzeroxide-nanodeeltjes van 20 nanometer (0,00002 millimeter). In één zo’n druppel zitten ongeveer een miljard nanodeeltjes. Door er een oppervlakte-actieve stof aan toe te voegen, worden de deeltjes naar het oppervlak van de druppel gedreven. Hier vormen ze, dicht opeengepakt, een korst van magnetische deeltjes.

Deze druppeltjes werden in een magneetveld gebracht, waardoor de nanodeeltjes aan het oppervlak zich in dezelfde richting draaiden. De druppels veranderden in vloeibare magneetjes. Toen het externe magneetveld uitgezet werd, bleken de druppels permanente magneten. Als je er twee bij elkaar in de buurt bracht, stootten gelijke polen elkaar af en trok de noordpool van het ene druppeltje de zuidpool van een andere aan.

Verschillende vormen

De permanente magneetdruppeltjes konden vervolgens in verschillende vormen geduwd worden zonder dat ze hun magnetisatie verloren. Zo maakten de onderzoekers er langwerpige, ovale druppeltjes van. Die beginnen te tollen als je ze laat drijven in een bakje olie met daaronder een roterende magneet.

„Dit resultaat is compleet onverwacht”, mailt Russell. Het is onduidelijk waarom de magnetisatie in de druppels blijft bestaan. „We weten wel dat alle nanodeeltjes bijdragen aan die magnetisatie. Er is een verband tussen de oriëntatie van de deeltjes aan het oppervlak en de deeltjes die zich in de druppel bevinden.”

De vloeibare magneten zouden gebruikt kunnen worden voor elektronica of als aandrijfsystemen in zachte robots, schrijft fysicus Rémi Dreyfus in een reactie in Science. „Ze vereisen alleen een extern magnetisch veld om beweging te veroorzaken.”