Selbstfaltende Mikro- und Nanostrukturen

  • 09. January 2015

Stauchung wandelt zweidimensionalen Strukturen in komplexe dreidimensionale Objekte.

Mit einem neuen Verfahren zur Mikrostrukturierung lassen sich komplexe und filigrane dreidimensionale Gebilde fertigen, wie Forscher der University of Illinois at Urbana-Champaign berichten. So kann man auf einfache Weise räumliche Strukturen herstellen, die etwa neue elektromagnetische Eigenschaften besitzen. Das von John Rogers und seinen Kollegen entwickelte Verfahren beruht auf einem einfachen Prinzip. Wenn man einen rechteckigen Papierstreifen an seinen beiden Enden festhält und auf einer Unterlage zusammenschiebt, krümmt er sich und wirft eine Falte auf. Wiederholt man dieses Experiment mit einem S-förmigen Streifen, so verdrillt er sich und bildet ein kurzes Stück einer linkshändigen Schraubenlinie. Bei komplizierter geformten flächigen Strukturen, die gleichmäßig in beiden Raumdimensionen gestaucht werden, treten Krümmungen und Verdrillungen gleichzeitig auf. Dabei können komplexe dreidimensionale Objekte entstehen, die mehrere „Etagen“ bilden und weit in die dritte Raumdimension hineinragen.

Mikro- und Nanofaltung

Abb.: Das neue 3D-Strukturierungsverfahren in drei Schritten: Die elastische Silikonunterlage wird vorgespannt; die ebenen Ausgangsstrukturen aus Silizium werden auf die Unterlage gebracht und durch Belichtung an vorgegebenen Punkten mit der Unterlage verbunden; die Unterlage wird entspannt, wobei sich die Ausgangsstrukturen falten und verdrillen, sodass die gewünschten 3D-Strukturen entstehen. (Bild: S. Xu et al. / AAS)

Die Forscher stellten die sich „von selbst“ auffaltenden und verdrillenden Gebilde her, indem sie flächige Mikrostrukturen aus kristallinem Silizium auf eine gespannte elastische Unterlage aus Silikon brachten. Diese Strukturen, beispielsweise ein wellenlinienförmiger Streifen, wurden an bestimmten Stellen mit der Unterlage chemisch verbunden und dadurch auf ihr fixiert. Anschließend entspannten die Forscher die Unterlage, sodass sie sich zusammenziehen konnte, woraufhin sich etwa der auf ihr fixierte wellenlinienförmige Silizumstreifen verdrillte und eine Schraubenlinie bildete. Je nachdem an welchen Punkten der Wellenlinie der Siliziumstreifen befestigt war, entstand eine Rechts- oder eine Linksschraube. Doch das war erst der Anfang. Ein Siliziumstreifen, der wie eine in sich geschlossene Wellenlinie geformt war, „sprang“ bei Entspannung der Unterlage in die Form einer Schraubenlinie, die um einen Torus gewickelt war. Ein anderer Siliziumstreifen verdrillte sich zu einer Schraube, die an einem bestimmten Punkt ihren Drehsinn änderte.

Auf diese Weise stellten Rogers und seine Mitarbeiter Dutzende elementare dreidimensionale Formen her. Bei einigen spielte die Faltenbildung die entscheidende Rolle, so bei den Objekten, die von den Forschern als Zelt, Tisch, Schachtel oder Blume bezeichnet werden. Bei anderen war die Verdrillung entscheidend, so beim Schmetterling, beim Seestern oder bei der in sich geschlossenen Schraubenlinie. Die elementaren Formen lassen sich in Größen von wenigen Mikrometern bis zu einigen Hundert Mikrometern anfertigen, sie sind reproduzierbar und im Voraus berechenbar. Durch Wiederholung dieser elementaren Formen, die miteinander verbunden wurden, konnten die Forscher komplizierte räumlich periodische Strukturen herstellen. Dazu gehörten eine Matratze aus nebeneinanderliegenden Schraubenlinien und eine gemischte Anordnung von Zelten und Tischen. Auf diese Weise könnte man auch Metamaterialien mit neuartigen elektromagnetischen Eigenschaften fertigen.

Dazu müssten die dreidimensionalen Strukturen neben Silizium auch andere Materialien enthalten wie etwa Metalle oder Dielektrika. Das lässt sich mit dem neuen 3D-Strukturierungsverfahren durchaus machen, wie die Forscher am Beispiel einer abstimmbaren Drosselspule zeigten. Dazu stellten sie eine Ω-förmige Schlangenlinie aus Silizium her, die mit Polyamid beschichtet und anschließend mit Nickel bedampft wurde. Danach wurde diese 2D-Struktur auf die nichtleitende und elastisch vorgespannte Unterlage gebracht und elektrisch kontaktiert. Wurde die Unterlage teilweise oder ganz entspannt, so verdrillte sich die Schlangenlinie, sodass eine Torusspule entstand. Die frequenzabhängige Induktivität und Güte der Spule konnten die Forscher variieren, indem sie die elastische Spannung der Unterlage und damit die Form der Spule veränderten. Rogers und seine Kollegen sind zuversichtlich, dass ihr 3D-Mikrostrukturierungsverfahren interessante Möglichkeiten für die Herstellung von dreidimensionalen elektronischen, optoelektronischen und elektromagnetischen Bauelementen eröffnet. „Wir nutzen diese Ideen jetzt zum Bau von leistungsfähigen elektronischen Gerüsten“, so Roger, „mit denen man das Wachstum von Gewebekulturen steuern und verfolgen kann.“

Rainer Scharf

RK

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