Het magnetisch veld van de hersenen kan tot nog toe alleen onder technische laboratorium omstandigheden worden gemeten. Voor een brede medische toepassing komt deze techniek daarom nog niet in aanmerking. Drie onderzoeksteams van de Christian-Albrechts-Universitätte Kiel (CAU) hebben gezamenlijk een nieuw soort magneto-elektrische sensor ontwikkeld, waarmee deze belangrijke technologie in de toekomst beter inzetbaar wordt. De wetenschappelijke doorbraak: de nieuwe sensoren functioneren, in tegenstelling tot de gebruikelijke magneto-elektrische meettechnieken zonder koeling en zonder in een ondersteunend uitwendig magnetisch veld. De nieuwe composietmaterialen werden beschreven in het vaktijdschrift Nature Materials.
“Onze composietmaterialen met gegevenskoppeling zijn internationaal een mijlpaal in het onderzoek naar magneto-elektrische materialen”, zegt professor Eckhard Quandt, hoofdauteur van de studie en voorzitter van het Kieler Sonderforschungsbereiches 855 Magnetoelektrische Verbundstoffe – biomagnetische Schnittstellen der Zukunft (SFB 855). “Met de onafhankelijkheid van externe ondersteunende magnetische velden hebben we een belangrijke hindernis voor medische toepassingen van magneto-elektrische sensoren zoals magneto-cardiografie opgeruimd”. Omdat de sensoren vanwege hun speciale ombouw elkaar niet storen, worden nu ook gebieden met honderden meeteenheden mogelijk. Daarmee zouden dan vlakke kaarten kunnen worden gemaakt van hart- of hersenstromen.
Composietmaterialen
De nieuwe composietmaterialen bestaan uit een complexe volgorde van circa 100 materiaallagen, waarvan elke laag maar enkele nanometers dik is. “Onze magneto-elektrische sensoren bevatten zowel magneto-strictive als piëzo-elektrische lagen, die enerzijds door het te meten magnetisch veld vervormen, maar tegelijkertijd door deze vervorming een elektrische spanning opwekken, die dan als meetsignaal gebruikt wordt. Dergelijke hoog gevoelige metingen functioneren met de gebruikelijke laagsystemen tot nog toe alleen, als de sensor tegen een ondersteunend magnetisch veld aanligt”, verduidelijkt doctorandus Enno Lage de achtergrond van de studie waar hij sinds 2010 werkt.
Veld in sensor opgewekt
“Het bijzondere aan onze composietmaterialen zijn de anti ferromagnetische hulplagen van mangaan-iridium, die in het inwendige van het materiaal werken als een magnetisch veld”, verduidelijkt Lage. “Het ondersteunend veld voor de meting wordt dus feitelijk direct in de sensor opgewekt en hoeft niet meer van buitenaf te worden aangelegd”. Een volledige sensor die specifiek een afmeting van een paar millimeter heeft en bestaat uit een multi laag van een dergelijk nieuw materiaal, die ongeveer 1/1000 mm dik is.
De nieuwe composietmaterialen worden in een schone ruimte van het nano laboratorium te Kiel geproduceerd. “Alleen in deze extreem stofvrije omgeving kan men dergelijke sensorsystemen met succes produceren”, zegt dr. Dirk Meyners (foto: CAU)
Einddoel in zicht
Met deze ontwikkelingsstap naar magneto-elektrische metingen onafhankelijk van externe ondersteuningsvelden bereiken de werkgroepen rond de professoren Lorenz Kienle, Reinhard Knöchel en Eckhard Quandt een belangrijk einddoel van de SFB 855, die sinds januari 2010 door de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) werd gefinancierd. Bij het SFB moeten nieuwe composietmaterialen worden ontwikkeld en worden geïmplementeerd in een volledig functioneel, bio-magnetische interface tussen mens en buitenwereld. Quandt wijst op de toekomstige kansen: “we konden met de mogelijkheden binnen het SFB binnen de planning van het cluster Materials for Life een aantal andere toepassingen op basis van deze composietmaterialen bewerkstelligen, zoals sensoren voor een niet-invasieve hersenstimulatie”.
