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Sowohl die umwelt- und sozialverträgliche Herstellung, als auch das fachgerechte Recycling eines Objekts können nur gewährleistet werden, wenn alle Rohstoffe und Zwischenprodukte eindeutig und möglichst fälschungssicher gekennzeichnet sind. Die gängigen optischen (Barcode) und elektromagnetischen (RFID-Chip) Identifikationsmethoden können diese Anforderung nicht erfüllen, da sie sich aufgrund ihrer Größe oder Ablesbarkeit nicht in verschiedene Materialien integrieren lassen. Ein Team der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg hat nun einen Magnetpartikelmarker entwickelt, mit dem sich Materialien auf einfache Weise kennzeichnen und auslesen lassen.
Die Forschungsarbeit wurde in der Fachzeitschrift Small veröffentlicht.
Die Arbeitsgruppe von Prof. Mandel von der Professur für Anorganische Chemie arbeitet seit Längerem an speziellen Partikeln, sogenannten Suprapartikeln, die sich beispielsweise aufgrund ihrer optischen oder magnetischen Eigenschaften eindeutig identifizieren lassen. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des NanoMatFutur Grant 03XP0149 gefördert, der an Nachwuchsforschende in der Materialforschung vergeben wird. Die kugelförmigen Suprapartikel haben einen Durchmesser von ein bis zehn Mikrometer. Sie bestehen ihrerseits aus hunderttausenden von Bausteinen mit einem Durchmesser von jeweils nur wenigen Nanometern.
Prinzipiell kann man für die Partikelherstellung alle Nanobausteine verwenden, die magnetisch sind. Die Forschenden der FAU haben sich aus ökonomischen und ökologischen Gründen für Eisenoxid entschieden. „Der kluge Rost ist kostengünstig herzustellen und ökologisch unbedenklich“, erklärt Doktorand Stephan Müssig, Promotionsstipendiat bei der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU).
Richtig klug wird der Rost aber erst durch die Kombination unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften in einem Partikel. Die Arbeitsgruppe hat drei Eisenoxid-Nanobausteine ausgesucht, die sich magnetisch unterscheiden. Mit Hilfe des Mischungsverhältnisses der drei Bausteine lässt sich nun ein Identifikationscode erstellen. So besteht ein Suprapartikel 1 beispielsweise aus den Nanobausteinen A, B und C im Verhältnis 10 zu 10 zu 80 Prozent, während ein Suprapartikel 2 ein Verhältnis von 20 zu 30 zu 50 aufweist. Die Kombinationsmöglichkeiten sind enorm. Das Mischungsverhältnis weist dem Suprapartikel eine spezifische Eigenschaft zu, die mit einem Magnetpartikelspektrometer ausgelesen und wie bei einem Fingerprint eindeutig identifiziert werden kann.
Es existieren in der Literatur mit Sicherheit über hundert unterscheidbare magnetische Nanopartikel-Typen, auf die bei Bedarf zurückgegriffen werden könnte. „Setzt man nur fünf unterschiedliche Nanobaustein-Typen pro Suprapartikel ein, ergeben sich etwa 77 Milliarden Codierungsvariationen in einem einzigen Partikel“, erklärt Müssig. Die Nanobausteine ließen sich in kurzer Zeit in Wasser synthetisieren und mittels Sprühtrocknung zu einem magnetisch identifizierbaren Pulver verarbeiten. Das Pulver könnte in kleinen Mengen einem Kunststoff oder Kleber beigefügt werden und damit eine Vielzahl von Materialien, Chargen oder Produktlinien kennzeichnen. Der magnetische Code sei im Vergleich zum Barcode äußerlich nicht sichtbar und könne im Nachhinein nicht mehr verändert werden, sagt Müssig.
„Magnetische Signale werden durch viele Materialien übertragen, die optische Signale nicht durchlassen“, betont Müssig. Schwarze Kunststoffe beispielsweise, die in vielen elektronischen Geräten verbaut sind, können mit den bisher verwendeten optischen Methoden maschinell nur schwer aussortiert und recycelt werden. Mit der magnetischen Kennzeichnung könnte sich dies grundlegend ändern.
„Das Prinzip der verwendeten Magnetpartikelspektroskopie ermöglicht die Detektion sehr sensitiv, kostengünstig und mobil“, so Müssig. „Das Lesegerät benötigt nur den Bruchteil einer Sekunde um das magnetische Signal der Suprapartikel auszulesen und besteht perspektivisch aus einer Spule, die etwa die Größe einer Münze hat.“ Ein solcher Magnetpartikelmarker könnte die Qualitätskontrolle verbessern und die Zahl der gefälschten Produkte reduzieren, die weltweit einen jährlichen Schaden von ungefähr 500 Milliarden US-Dollar verursachen.
Prof. Dr. Karl Mandel
Professur für Anorganische Chemie
karl.mandel@fau.de
Stephan Müssig
stephan.muessig@fau.de
A single magnetic particle with nearly unlimited encoding options”, Small, doi: https://doi.org/10.1002/smll.202101588
Criteria of this press release:
Journalists
Chemistry
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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