Quadrupol statt Dipol: Forscher haben Magnetbausteine entwickelt, die gleich vier Pole besitzen. Diese Quadrupole erlauben es erstmals, Magneten auch zu flächigen Anordnungen zusammenzufügen – bei Dipolen sind nur Türme oder Reihen möglich. Möglich werden die Viermagnete durch eine geschickte Kombination zweier Dipolmagneten in einem 3D-gedruckten Rahmen.
Ob das Erdmagnetfeld, der klassische Stabmagnet oder ein Atom als Magnetspeicher: Magnete sind typischerweise Dipole. Ihre Magnetfeldlinien verlaufen zwischen zwei Polen und sorgen dafür, dass sich gleiche Pole abstoßen, ungleiche dagegen anziehen. Als Folge davon kann man relativ leicht ganze Ketten, Ringe oder Türme aus Magneten konstruieren. Nahezu unmöglich ist es dagegen, Dipolmagneten zu einer lückenlosen, parkettähnlichen Fläche zusammenzulegen.
„Parkett“ aus Magneten
Doch jetzt haben Forscher um Hongri Gu von der ETH Zürich Magnetbausteine konstruiert, die erstmals eine flächige Anordnung zulassen. Möglich wird dies, weil die Module keine Dipole sind, sondern gleich vier Pole besitzen. Um sie herzustellen, kombinierten die Forscher zwei würfelförmige Neodym-Eisen-Bor-Dipolmagnete in einem quadratischen Rahmen aus 3D-gedrucktem Kunststoff miteinander. Die Magnete zeigen dabei mit ihren gleichpoligen Seiten zueinander.
Das Resultat dieser Konstruktion ist ein Magnetbaustein, der zwei einander gegenüberliegende Nordpole und zwei Südpole besitzt. Dadurch wird es möglich, an jeder Seite dieses Quadrupols einen weiteren dieser Magnetbausteine anzulagern, ohne dass diese sich gegenseitig abstoßen. Jeder Stein muss einfach nur um 90 Grad gegenüber seinem Nachbarn gedreht sein, wie die Forscher demonstrieren.
Durch Magnetfelder kontrollierbar
Interessant auch: Die beiden Dipole sind im Quadrupol nicht genau parallel eingebettet, sondern in einem Winkel von rund 20 Grad. Dadurch sind die vier Pole der Magnetbausteine nicht genau gleich stark und je nach Anordnung können verschiedene übergeordnete Magnetmuster entstehen, wie die Forscher erklären. So lässt sich ein Magnetparkett mit leichtem Gesamt-Dipol konstruieren, aber auch eines mit ausgeglichener Polung.
Das leichte Ungleichgewicht der einzelnen Polungen lässt sich zudem dafür nutzen, die Quadrupole magnetgesteuert zu kontrollieren. „Dies führt dazu, dass sich die Module wie eine Kompassnadel an einem äußeren Magnetfeld ausrichten“, erklärt Gu. „Über ein veränderbares Magnetfeld ist es somit möglich, die aus den Modulen gebauten Objekte zu bewegen. In Kombination mit flexiblen Verbindungen kann man sogar Roboter bauen, die sich durch ein Magnetfeld steuern lassen.“
Nutzbar für verformbare Roboter
Nach Ansicht der Forscher sind ihre Quadrupole vielfältig einsetzbar. Denn die Magnetbausteine können in allen Größen hergestellt und genutzt werden – vom Nanomaßstab bis zu zentimetergroßen Modulen. Anwendungen sehen Gu und sein Team daher sowohl in der Robotik als auch in der Nanotechnologie oder Medizin.
Zu Testzwecken haben die Forscher bereits eine Version der Quadrupole entwickelt, bei der die einzelnen Module über flexible Gummistäbe miteinander verbunden sind. Unter Einfluss eines äußeren Magnetfelds verändert dann das gesamte Gebilde seine Form – es wird beispielsweise vom Quadrat zum Stern. (Science Robotics, 2019; doi: 10.1126/scirobotics.aax8977)
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)
