Forschung

Maßgeschneiderter Materialmix für Mikro- und Nanostrukturen

11.02.2019 - Neues Verfahren verbindet 3D-Laserlithografie mit Mikrofluidik.

Dreidimensionale Strukturen im Mikro- und Nano­meter­maß­stab haben enormes Poten­zial für zahl­reiche Anwen­dungen. Ein effi­zientes und präzises Ver­fahren, solche Struk­turen aus ver­schie­denen Materi­alien zu drucken, präsen­tieren jetzt Forscher des Karls­ruher Instituts für Techno­logie und der Carl Zeiss AG: Sie haben eine mikro­flui­dische Kammer in ein 3D-Laser­litho­grafie­gerät inte­griert. Mit diesem System fertigten sie mehr­farbig fluores­zie­rende Sicher­heits­merk­male, die Geld­scheine, Doku­mente und Marken­pro­dukte vor Fälschung schützen können.

Von Bauteilen zur Daten­ver­arbei­tung mit Licht über optische Mikro­linsen, mecha­nische Meta­materi­alien, künst­liche Gerüste für Zell­kulturen bis hin zu Sicher­heits­merk­malen für Geld­scheine oder Marken­produkte – drei­dimen­sional gedruckte Mikro- und Nano­struk­turen erobern immer mehr Anwen­dungen. Als ebenso zuver­lässiges wie viel­seitiges Ver­fahren zu ihrer Her­stel­lung hat sich die 3D-Laser­litho­grafie etab­liert: Ein Laser­strahl durch­fährt computer­ge­steuert einen flüssigen Foto­lack, wobei nur das Material am Fokus­punkt des Laser­strahls belichtet wird und aus­härtet. So ent­stehen hoch­präzise fili­grane Struk­turen für ver­schie­dene Einsatz­bereiche wie Optik und Photonik, Material­wissen­schaften, Bio­techno­logie oder Sicher­heits­technik. Die mit 3D-Laser­litho­grafie her­ge­stellten Mikro- und Nano­struk­turen bestehen bis jetzt aller­dings fast alle aus nur einem Material. Grund­sätz­lich lassen sie sich auch mit mehreren Materi­alien fertigen, indem unter­schied­liche Foto­lacke nach­ein­ander auf­ge­tragen und aus­ge­härtet werden, wobei der unbe­ichtete Lack jedes Mal in einem anschlie­ßenden Ent­wickler­bad aus­ge­waschen wird. Ein solches Vor­gehen ist jedoch nicht nur zeit- und arbeits­auf­wendig, sondern wird mit steigender Zahl der Materi­alien und Durch­läufe auch immer unge­nauer.

Das neu  entwickelte System ermöglicht es, drei­dimen­sional gedruckte Mikro- und Nano­struk­turen effi­zient und präzise aus mehreren Materi­alien zu fertigen. Die Forscher haben eine mikro­flui­dische Kammer, welche die Hand­habung der Flüssig­keiten auf klein­stem Raum ermög­licht, direkt in ein 3D-Laser­litho­grafie­gerät inte­griert. Mit diesem inte­grierten System fertigten sie drei­dimen­sio­nale mikro­struk­tu­rierte Sicher­heits­merk­male mit­hilfe von sieben ver­schie­denen Flüssig­keiten: einem nicht­fluores­zenten Foto­lack als Rück­grat, zwei Foto­lacken mit ver­schie­denen fluores­zie­renden Quanten­punkten, zwei Foto­lacken mit ver­schie­denen fluores­zie­renden Farb­stoffen und zwei Ent­wickler­flüssig­keiten. Solche Sicher­heits­merk­male können Geld­scheine, Doku­mente und Marken­produkte vor Fälschung schützen. Ein Sicher­heits­merk­mal besteht aus einem von Stütz­wänden umgebenen drei­dimen­sio­nalen Gitter und fluores­zie­renden Markern in ver­schie­denen Farben.

Für ihr System nutzten die Wissenschaftler ein von der Nano­scribe GmbH – einem Spin-off des KIT – ent­wickeltes und ver­trie­benes 3D-Laser­litho­grafie­gerät und inte­grierten eine selbst ent­wickelte mikro­flui­dische Kammer. Diese ent­hält ein Deck­glas mit einem Durch­messer von zehn Milli­metern, auf das sich die 3D-Struk­turen drucken lassen. Sie ist ver­bunden mit einem elek­tro­nischen Druck­regler, bis zu zehn Behältern für die ver­schie­denen Foto­lacke und Ent­wickler sowie einem stern­förmigen Aus­wahl­ventil. Die jeweils aus­ge­wählte Flüssig­keit wird durch ein Über­druck­ventil auf einen Proben­räger geleitet. Zuletzt fließt sie in einen Abfall­behälter. „Dieses Mikro­fluidik­system ermög­licht, alle Ferti­gungs­schritte für drei­dimen­sio­nale Mikro- und Nano­struk­turen aus mehreren Materi­alien in ein Gerät zu inte­grieren“, erklärt Martin Wegener vom KIT. „Damit ebnet es den Weg zu echter multi­materi­eller addi­tiver Ferti­gung auf der Mikro- und Nano­skala.“

KIT / RK

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