So magnetisch kann Kunststoff sein

Ein international besetztes Forscherteam hat eine aufregende neue organische Netzwerkstruktur entdeckt, die bei Raumtemperatur reine ferromagnetische Eigenschaften besitzt. Der Stoff, von dem die Rede ist, ist ein Kunststoff, der für eine bestimmte Dauer magnetisch ist beziehungsweise ein eigenes Magnetfeld erzeugt – so etwas kannte man bislang nur von reinen Metallen wie Eisen, Nickel oder Kobalt oder entsprechenden Legierungen.

Die Wirkung von Hufeisen- oder Stabmagneten oder auch jenen Gegenständen, mit denen man Bilder, Postkarten oder Einkaufszettel auf Kühlschränken fixiert, wird als Ferromagnetismus bezeichnet. Die in aller Regel sicht- und spürbarer Anziehungskraft zwischen einem Magneten und einem ferromagnetischen Material macht den überwiegenden Teil der im Alltag zu beobachtenden magnetischen Erscheinungen aus. Dass sich nun auch Kunststoff in die Reihe derjenigen Werkstoffe einreiht, die über ein ferromagnetisches Potenzial verfügen, macht allerdings wundern.

Dessen ungeachtet brüsten sich Wissenschaftler des Uslan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Südkorea damit, gemeinsam mit Kollegen anderer wissenschaftlichen Einrichtungen einen Kunststoffmagneten hergestellt beziehungsweise dessen Entstehung beobachtet zu haben. Die Wissenschaftler sprechen von einer Selbstpolymerisation sogenannter Tertacyanochinodimethan-Monomere (TCNQ). Das entstandene Polymernetz besitze jene magnetischen Eigenschaften, berichten die Wissenschaftler, die auch Eisen hat und die verantwortlich sind für ferromagnetischen Erscheinungen; die Vorsilbe „ferro“ leitet sich von dem lateinischen Wort Ferrum ab, zu Deutsch Eisen.

Betrachten wir einmal den naturwissenschaftlichen Hintergrund: Ferromagnetismus basiert nicht allein auf der Ausrichtung von Atomen in einem Metallgitter: Gelangt ein ferromagnetischer Gegenstand in ein Magnetfeld, etwa in die Nähe eines Permanentmagneten, richten sich die Elementarmagnete (die Atome in seinem Metallgitterverband) entsprechend dieses Magnetfelds aus. Dadurch wird der Gegenstand selbst auch magnetisch. Die beiden Magnetfelder haben die gleiche Ausrichtung, daher entsteht zwischen dem Gegenstand und dem Magneten eine magnetische Anziehungskraft. Ein ferromagnetisches Material wird aus diesem Grund sowohl von magnetischen Nordpolen als auch von Südpolen angezogen.

An Rande bemerkt: In der Regel geht die Magnetisierung verloren, wenn der Gegenstand aus dem externen Magnetfeld entfernt wird. Lediglich ein kleiner Restmagnetismus bleibt zurück, die sogenannte Remanenz. Es gibt jedoch auch Methoden, mit denen eine dauerhafte starke Magnetisierung des ferromagnetischen Materials erreicht werden kann. Mit solchen Methoden können ferromagnetische Körper aus beispielweise Eisen zu Permanentmagneten magnetisiert werden, d.h. eine deutliche erkennbare (makroskopische) Magnetisierung dauerhaft annehmen.

Ferromagnetismus braucht allerdings mehr als die Ausrichtung von Atomen, und zwar ein ausgeprägtes elementares magnetisches Moment, dass sich nur quantenmechanisch mit einer speziell ausgerichteten Bewegung der Elektronen, Spin genannt, erklären lässt. Ohne dieses Thema zu vertiefen und zu verkomplizieren: Der von den südkoreanischen Wissenschaftlern entdeckte Kunststoff verfügt über eine Elektronenspin-Ausrichtung, die klassischen ferromagnetischen Materialien vergleichbar ist. Diese Entdeckung lässt die Forscher frohlocken:

"Unsere Studie schlägt nicht nur neue Richtungen in den organischen magnetischen Materialien vor, sondern bietet auch eine Vielzahl von Möglichkeiten, neue Strukturen (…) zu entwerfen, die ferromagnetische Ordnung zeigen", sagt Professor Jong-Beom Baek.

Dieses Material werde, ist sich der Projektleiter und Erstautor der Studie [1] sicher, aufgrund seiner wissenschaftlichen Bedeutung und der potenziellen Anwendungsmöglichkeiten von Kunststoffmagneten in vielen Bereichen für Aufmerksamkeit sorgen.

Javeed Mahmood, et al., “Organic Ferromagnetism: Trapping Spins in the Glassy State of an Organic Network Structure,” CHEM, (2018), https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929418303164?via%3Dihub