Winzige Strukturen mit großer Wirkung

  • 06. April 2018

Laserstrukturierung der Oberfläche gekrümmter Kohlen­stoff­fasern gelungen.

Die Oberfläche von Materialien kann einen großen Ein­fluss auf ihre Funktion haben. Ver­ändert man die äußere Beschaf­fen­heit, so erweitert man auch die Band­breite der Ver­wendungs­möglich­keiten. Deshalb unter­suchen Wissen­schaftler der Uni Jena, wie sie die Ober­fläche verschie­dener Werk­stoffe mit Laser­technik gestalten können. Sie konzen­trieren sich dabei vor allem auf laser­indu­zierte perio­dische Ober­flächen­struk­turen, nach ihrer englischen Bezeich­nung als „laser-induced periodic surface struc­tures“ auch LIPSS genannt. Mit dieser Methode lassen sich besonders feine Struk­turen hervor­rufen.

Nanostrukturierung

Abb.: Forschern gelang es erst­mals, gekrümmte Ober­flächen mit laser­indu­zierten perio­dischen Struk­turen zu ver­sehen, mit denen sich Ober­flächen farb­lich gestalten lassen. (Bild: J.-P. Kasper, FSU)

„Bestrahlt man eine Oberfläche mit einem Femto­sekunden­laser, so bilden sich an dem Punkt, an dem der Laser­strahl auf die Ober­fläche trifft, charak­teris­tische Struk­turen aus“, erklärt Stephan Gräf von der Uni Jena. „Inter­ferenz­effekte in diesem Fokus­punkt rufen die LIPSS hervor.“ Diese Struk­turen sind viel kleiner als die, die man durch normale Laser­struk­turie­rung erreicht, da sich ein Laser­strahl nicht beliebig klein fokus­sieren lässt. Die Größe der Struk­turen hängt unter anderem von der Laser­inten­sität und der ver­wen­deten Laser­wellen­länge ab. Ver­ändert man also die Para­meter der Laser­strahlung, lassen sich die Struk­turen nahezu maß­ge­schnei­dert auf­bringen. Durch das Abrastern der gesamten Ober­fläche mit dem Laser­strahl wird sie voll­ständig mit dem perio­dischen Muster ver­sehen.

Generell funktioniert die Methode auf vielen ver­schie­denen Material­klassen. Bisher ließ sie sich aller­dings nur auf ebenen Flächen anwenden. Den Forschern ist es jetzt gelungen, auch gekrümmte Ober­flächen mit den laser­indu­zierten perio­dischen Struk­turen zu ver­sehen. „Wir haben LIPSS auf der Ober­fläche etwa zehn Mikro­meter dünner Kohlen­stoff­fasern auf­ge­tragen. Deren Durch­messer ist dabei kaum größer als die auf­ge­brachten Struk­turen selbst“, sagt Gräf. „Außer­dem konnten wir ver­schie­dene Struktur­typen über­ein­ander­legen und somit die Ober­fläche hierar­chisch gestalten.“

Damit bieten sich ganz neue Möglichkeiten für die Praxis. So werden die Kohlen­stoff­fasern bei der Her­stel­lung von Ver­bund­werk­stoffen in andere Materi­alien ein­ge­bettet. Um die Festig­keit der Ver­bund­werk­stoffe zu ver­bessern, werden sie bisher beispiels­weise mit Chemi­kalien behandelt. Durch die LIPSS lässt sich nun ihre Ober­flächen­topo­graphie gezielt ver­ändern, so dass es zu einem Ver­ankern zwischen Polymer und ein­ge­betteten Fasern kommen kann. Zudem wirken die Struk­turen wie ein optisches Gitter. Mit ihnen lässt sich das Reflexions- und Absorp­tions­ver­halten von Licht auf den Ober­flächen gezielt ver­ändern. Gleiches gilt auch für die Beugung von Licht, wodurch sich über Struktur­farben Ober­flächen selektiv farb­lich gestalten lassen. Somit quali­fi­zieren sich die laser­indu­zierten perio­dischen Ober­flächen­struk­turen zuneh­mend auch für optische Anwen­dungen.

Und auch die Haltbarkeit von Materialien beein­flussen LIPSS positiv. „Durch die Ver­ände­rung der Ober­flächen­topo­graphie kann man den Reibungs­quotienten ver­ringern und somit Ver­schleiß vor­beugen“, erklärt Gräf. „Beispiels­weise könnten so lang­lebigere Implan­tate ent­wickelt werden.“ Außer­dem lassen sich die Benet­zungs­eigen­schaften von Materi­alien auf diese Weise ver­ändern. Sie können etwa wasser­ab­wei­sender gestaltet werden.

FSU / RK

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