FAU-Forschende entwickeln Schalterprinzip für punktgenaue Wärmeerzeugung – Anwendungen in Recycling, Smart Materials und Medizin denkbar

Ob in selbstheilenden Materialien, gezielten Recyclingprozessen oder sogar der Tumortherapie von morgen: Induktionserwärmung – also die Erwärmung von magnetischen Materialien durch magnetische Wechselfelder – eröffnet zahllose Anwendungsmöglichkeiten. Doch bislang ließ sich nicht genau steuern, welche Partikel wann und wo aufheizen. Forschenden der FAU ist nun mit wichtigen Forschungsbeiträgen von Kollegen des MIT und des Forschungszentrums Jülich ein entscheidender Durchbruch gelungen: Sie konnten magnetische Nanopartikel so „programmieren“, dass diese auf Abruf gezielt Wärme freisetzen.

Ein einmaliger Impuls – bleibender Effekt

Im Mittelpunkt stehen Eisenoxid-Nanopartikel, die gezielt mit Cobalt dotiert wurden. Das Besondere: Durch einmaliges Aussetzen zu einem statischen Magnetfeld lässt sich ihre magnetische Struktur dauerhaft verändern – sie werden dadurch zu besonders effektiven Wärmeträgern unter einem wechselnden Magnetfeld. „Das Prinzip funktioniert wie ein Schalter, den man einmal betätigt – danach bleibt die Wirkung erhalten“, erklärt Erstautorin Leoni Luthardt vom Lehrstuhl für Partikelbasierte Materialchemie.

Wärme, wo sie gebraucht wird

Diese „magnetische Vorprägung“ hat weitreichende Folgen: Nicht nur lassen sich Nanopartikel lokal aktivieren – sie können auch gezielt in Materialien eingebracht werden, etwa in Klebstoffe oder Polymere. In Modellversuchen zeigten die Forschenden, dass sich auf diese Weise z. B. Klebeverbindungen gezielt lösen lassen – allein durch vorherige Magnetisierung einzelner Bereiche und anschließende Induktionserwärmung. In Zukunft ließen sich so Bauteile am Lebensende einfacher trennen oder Reparaturen selektiv durchführen.

Der Weg zur thermischen Codierung

„Wir sprechen von einem thermischen Programmiermechanismus“, so Prof. Dr. Karl Mandel, der das Projekt leitete. Die magnetischen Eigenschaften – insbesondere die sogenannte Koerzitivfeldstärke – lassen sich über die Cobaltdotierung feinjustieren. Dadurch ist nicht nur die Heizleistung steuerbar, sondern auch die „Ansprechschwelle“ auf das Wechselfeld. Mit zunehmendem Cobaltgehalt benötigt ein Partikel eine stärkere Magnetisierung, um aktiviert zu werden. So lassen sich abgestufte Heizverhalten und komplexe Wärmeverteilungen realisieren.

Perspektiven für smartes Recycling und programmierbare Freisetzung

Potentielle Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig: Denkbar wäre ein gezieltes „Debonding“, also Entkleben zweier Materialien, auf Knopfdruck, um smarte Klebstoffe gestalten. Auch ein Einsatz in der gezielten Freisetzung verschiedener (Wirk-)Stoffe aus einem Partikel-Reservoir wäre möglich. „Unsere Partikel sind prinzipiell kompatibel mit verschiedensten Matrixumgebungen. Die zugrunde liegende Idee lässt sich also auch auf Anwendungen in ressourcenschonenden Recyclingvorgängen oder medizinische Anwendungen übertragen“, so Theodor Raczka, ebenfalls Erstautor der Publikation.

Die Forschung wurde durch die Förderprojekte AdRecBat (BMBF, No. 03XP0518C), SmartRust (ERC Consolidator Grant No. 101123921), und SFB 1411 (Project-ID – 416229255) unterstützt. Leoni Luthardt ist zudem Stipendiatin bei der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU).

Der Artikel ist kürzlich in der Fachzeitschrift Advanced Materials unter folgendem Link erschienen: http://doi.org/10.1002/adma.202507158

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Karl Mandel

Adresse

Egerlandstraße 1-391058 Erlangen

Kontakt

• E-Mail: karl.mandel@fau.de