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2-Photonen-Mikrodruck Speziallack erlaubt Druck von polymerem Nanoschaum

Redakteur: Peter Königsreuther

Forscher am KIT und von der Universität Heidelberg haben einen Fotolack entwickelt, mit dem 3D-Strukturen mit Nano-Hohlräumen erzeugt werden können. Hier die Vorteile...

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Der mit einem speziellen Fotolack gedruckte rechte Mikrozylinder sieht weiß aus, weil seine Struktur schwammig ist – reflektiertes Licht wird gestreut wie bei Badeschaum. Der linke ist transparent und aus üblichem Fotolack.
Der mit einem speziellen Fotolack gedruckte rechte Mikrozylinder sieht weiß aus, weil seine Struktur schwammig ist – reflektiertes Licht wird gestreut wie bei Badeschaum. Der linke ist transparent und aus üblichem Fotolack.
(Bild: 3DMM20)

Fotolacke sind quasi druckbare Tinten, mit denen in der sogenannten 2-Photonen-Lithographie kleinste dreidimensionale Strukturen hergestellt werden können, schicken die Experten voraus. Während des Drucks wird ein Laserstrahl durch den zunächst flüssigen Fotolack in alle Raumrichtungen bewegt. Der Fotolack härtet durch die Laserenergie dabei lediglich im Fokuspunkt des Laserstrahls aus. Nach und nach kann man so komplexe Mikrostrukturen aufbauen, heißt es weiter. In einem zweiten Schritt werden alle Bereiche mit einem geeigneten Lösungsmittel ausgewaschen, die nicht belichtet wurden und deshalb noch flüssig sind. Übrig bleibt die ausgehärtete, komplexe und winzige Polymerarchitektur.

Polymerer Mikroschaum macht's möglich

Die 2-Photonen-Polymerisation – beziehungsweise der auf diesem Verfahren basierende 2-Photonen-Mikrodruck – wird seit einigen Jahren intensiv erforscht, sagen die Protagonisten. Diese Arbeit läuft etwa im Hinblick auf die Herstellung von Mikrooptiken, von sogenannten Metamaterialien oder von Mikrogerüsten für Experimente mit einzelnen biologischen Zellen ab. Um das Anwendungsspektrum zu erweitern, bedürfe es aber neuer druckbarer Materialien. Das ist der Grund, warum man im Exzellenzclusters „3D Matter Made to Order“ (3DMM2O) des Karlsruher Instituts für Technologie KIT und an der Universität Heidelberg dahingehend aktiv wurde. „Mit bisherigen Fotolacken war es lediglich möglich, transparente, glasartige Polymere zu drucken“, so Frederik Mayer, Hauptinitiator dieser Studie und Physiker am KIT. Der im Zuge dessen entwickelte Fotolack ermöglicht es, wie gesagt, erstmals, dass 3D-Mikrostrukturen aus porösem Nanoschaum herstellbar sind. Dieser Polymerschaum hat Hohlräume von der Größenordnung zwischen 30 und 100 nm, die mit Luft gefüllt sind.

Haarklein von transparent zu weiß

Wie in einer porösen Eierschale bewirkten die zahlreichen winzigen Luftlöcher in den porösen Nanoarchitekturen, dass diese dem menschlichen Auge weiß erscheinen. Einfach weiße Partikel in einen herkömmlichen Lack zu mischen, wäre keine Lösung, merkt Mayer an, denn während des Drucks muss der Fotolack für den (roten) Laserstrahl transparent sein. „Unser Lack“, führt Mayer weiter aus, „ist vor dem Drucken transparent. Doch die gedruckten Objekte sind weiß und weisen damit eine hohe Reflektivität auf.“ Das dass funktioniert demonstrieren die Forschenden anhand einer so hergestellten, haarfeinen Ulbricht-Kugel. Das ist ein Bauelement aus der technischen Optik.

Ein anderer Faktor, der neue Tore für weitere Anwendung aufstößt, ist die extrem große innere Oberfläche des porösen Materials. Das ist eine ideale Eigenschaft, wenn es um Filtervorgänge auf kleinstem Raum, um extrem wasserabweisende Beschichtungen oder um die Kultivierung biologischer Zellen geht, wie es heißt.

Gedruckte Mikrostrukturen mit steuerbaren Eigenschaften

Wozu der neuartige Fotolack geeignet ist, und wie er bestmöglich anzuwenden ist, konnte in übergreifender Zusammenarbeit von drei der insgesamt neun Forschungsschwerpunkte des Exzellenzclusters beschrieben werden. Anhand elektronenmikroskopischer Scans und optischer Experimente untersuchten die Forschenden, wie die Hohlräume in gedruckten Strukturen verteilt sind und wie ihre Formation durch Veränderungen der Druckeinstellungen – vor allem der Stärke der Laserpulse – auch gesteuert werden kann. An den aktuellen Arbeiten im Exzellenzcluster haben Heidelberger Forschende auf dem Gebiet der Materialwissenschaften und Karlsruher Forschende auf den Gebieten Chemie und Physik mitgewirkt.

Mehr zum Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“

Im Exzellenzcluster 3D Matter Made to Order (3DMM2O) forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie und der Universität Heidelberg interdisziplinär an innovativen Technologien und Materialien für digitale skalierbare additive Fertigungsverfahren, um den 3D-Druck präziser, schneller und leistungsfähiger zu machen. Ziel ist es, die 3D-Fertigung und Materialverarbeitung vom Molekül bis zur Makrostruktur vollständig zu digitalisieren. Zusätzlich zur Förderung als Exzellenzcluster innerhalb der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder wird 3DMM2O durch die Carl-Zeiss-Stiftung gefördert.

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