Das kleinste Matterhorn der Welt

  • 11. February 2016

Serielles Laserverfahren ermöglicht Pro­duk­tion kom­plexer Objekte mit Details im Nano­bereich.

PSI haben Winzige und sehr detaillierte Modelle des Matter­horns habe Forscher des Paul-Scherrer-Instituts in der Schweiz herge­stellt. Die Modelle sind jeweils nur rund sieben Hundertstel Milli­meter groß und zudem so detailliert, dass die einzelnen Strukturen des Matter­horns klar darge­stellt sind. Wie beispiels­weise dessen Spitze, die im Modell einen Durch­messer von hundert Nano­metern hat und damit gerade einmal so groß ist wie ein Virus.

Nano-Matterhorn

Abb.: Mit einem Elektronenmikroskop erstellte Aufnahme eines 3-D-Modells des Matterhorns. Der eingezeichnete Balken entspricht zehn Mikrometern. (Bild: PSI)

Solche Modelle herzustellen ist nicht nur Spielerei: Ober­flächen, die mit tausenden solcher winzigen 3-D-Objekte bedeckt sind, haben oft besondere Eigen­schaften, die sich viel­fältig nutzen lassen. „Man kann solche Eigen­schaften schon in der Natur beobachten“, erklärt Helmut Schift, Leiter des Forschungs­projekts am PSI. „So können manche Schlangen­arten über Sand gleiten, ohne dass sich ihre Haut wesent­lich abnutzt.“ Die Haut dieser Schlangen hat Schuppen und Dornen, die wenige Tausend­stel Milli­meter hoch sind. Dadurch wird die Reibung in eine Richtung stark vermindert. „Man könnte sich vor­stellen“, so Schift weiter, „Maschinen­teile, die starker Belastung durch Reibung ausge­setzt sind, mit einer so struk­tu­rierten Ober­fläche zu versehen. Das würde den Ver­schleiß der ent­sprechenden Bau­teile deutlich redu­zieren.“ Als Beweis, dass man so kleine Struk­turen über­haupt gezielt und repro­du­zier­bar präzise her­stellen kann, wurden die Modelle des Matter­horns ange­fertigt.

Um die Modelle herzustellen, haben die Forscher die Zwei-Photonen-Litho­graphie verwendet. Die Wissen­schaftler stellen die Struk­turen aus einem licht­empfind­lichen Material her. An Stellen, an denen man es besonders intensiv belichtet, wird das anfäng­lich flüssige Material fest, das rest­liche Material lässt sich an­schließend weg­waschen. Zum Belichten verwenden die Forscher einen besonderen Laser, dessen Strahl nur im Brenn­punkt einer Linse intensiv genug ist, um das Material ent­sprechend zu verändern. Diesen Brenn­punkt bewegen sie durch das Material hindurch. So können sie für jeden einzelnen nano­meter­großen Punkt entscheiden, ob das Material am Ende wegge­waschen wird oder stehen­bleibt. Auf diese Weise können sie fast beliebig komplexe Objekte mit Details im Nano­maß­stab her­stellen.

Das serielle Laserverfahren ist zwar recht aufwendig, muss jedoch nur einmal ange­wendet werden. Um die Kopien der einzelnen 3-D-Struktur – also beispiels­weise des Matter­horns – herzu­stellen, wird mit Hilfe der Urform eine Guss­form erzeugt. Damit wiederum lassen sich die Struk­turen dann in großen Zahlen gießen und so in Groß­serie replizieren.

PSI / RK

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