Magnetische Materialien Computermodell simuliert Magnete zum Optimieren von Festplatten und Entwickeln von Blutanalyse-Chips

Erstmals ist es Forschern gelungen, mit einem einzigen Computermodell das Verhalten magnetischer Materialien in völlig unterschiedlichen Anwendungen darzustellen. Dabei stehen zwei konkrete Anwendungsbeispiele im Mittelpunkt: die Optimierung von Festplatten sowie die Entwicklung von Microfluidic-Chips für medizinische Anwendungen.

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Magnetismus ist eine günstige und gern genutzte Kraftquelle. Egal ob IT, Umwelttechnik oder Medizin – magnetische Materialien mischen mit. Die zunehmende Miniaturisierung ist dabei kein Problem – ganz im Gegenteil: Die berührungslose Kraftübertragung von Magneten prädestiniert sie geradezu für das Wirken im Verborgenen.

Doch je kleiner die Anwendung ist, desto komplexer wird die vorherige Planung. Dabei helfen exakte Computersimulationen, mit denen bereits am digitalen Reißbrett das Verhalten unter diversen Anwendungsbedingungen kalkuliert werden kann.

Wissenschaftlern der Fachhochschule St. Pölten in Niederösterreich haben nun dafür einen neuen Standard gesetzt: ein Computermodell, das auf Grund einer einmaligen Kombination verschiedener Simulationsverfahren die Berechnung völlig unterschiedlicher Anwendungen magnetischer Materialien erlaubt.

Dimension dank Kombination

„Uns ist es gelungen, ein Standardverfahren der Festkörpersimulation – die sogenannte Finite-Elemente-Methode – mit anderen modernen Simulationstechniken zu kombinieren“, freut sich der Leiter des Studiengangs Industrial Simulation an der FH St. Pölten, Prof. Dr. Thomas Schrefl.

„Zu diesen zählen beispielsweise stochastische Optimierungsalgorithmen, Lattice Boltzmannverfahren zur Strömungssimulation und schnelle Randelementeverfahren zum Berechnen magnetischer Felder. So erlaubt unser Modell nun Simulationen mikromagnetischen Materialverhaltens über mehrere Größendimensionen hinweg – vom atomaren bis zum sichtbaren Größenbereich.“, so Schrefl weiter.

Zwei konkrete Anwendungen wurden bereits vorgestellt

Zwei konkrete – und sehr unterschiedliche – Anwendungen des Computermodells hat das Team um Dr. Schrefl bereits auf der 12. Trends in Nanotechnology International Conference in Spanien vorgestellt: Die Optimierung von Festplattenspeichern und die Entwicklung von Mikrofluidic-Chips für den Einsatz in der Medizin.

Computer errechnet den idealen Festplatten-Schreibkopf

Für die Optimierung von Festplatten ist das Design der Schreibköpfe die große Herausforderung, wie Dr. Schrefl erläutert: „Schreibköpfe schaffen ein magnetisches Feld, das über Änderungen des Datenträgermaterials ein Bit auf der Festplatte codiert. Schon geschieht das im Bereich von Nanometern und Pikosekunden.

Auf Grund dieser räumlichen und zeitlichen Dimensionen wird die Prototypenentwicklung solcher Schreibköpfe immer teurer. Da liefert unser Computermodell rasch und günstig zuverlässige Ergebnisse für neue Designs.“ Denn dank der Kompetenz der FH St. Pölten im Bereich magnetischer Materialien gelang es dem Team um Dr. Schrefl, das Verhalten der relevanten magnetischen Materialien in der notwendigen Größenordnung zu simulieren.

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