Technologie

Winzige poröse Strukturen drucken

14.09.2020 - Neuartiger Fotolack macht es möglich, mit Zwei-Photonen-Mikrodruck weiße Objekte zu drucken.

Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Heidelberg haben einen Fotolack für den Zwei-Photonen-Mikrodruck entwickelt, mit dem sich erstmals dreidimensionale polymere Mikro­strukturen mit Hohlräumen in Nano­größe herstellen lassen. Auf diese Weise können die Wissenschaftler des gemeinsamen Exzellenzclusters 3D Matter Made to Order die Porosität im Druckprozess steuern und die Licht­streuungs­eigenschaften der Mikro­strukturen beeinflussen.
 

Fotolacke sind Drucktinten, mit denen in der Zwei-Photonen-Lithographie kleinste Mikrostrukturen 3D-gedruckt werden können. Während des Drucks wird ein Laser­strahl durch den zunächst flüssigen Fotolack in alle Raum­richtungen bewegt. Hierbei härtet der Fotolack lediglich im Fokuspunkt des Laser­strahls aus. Nach und nach lassen sich so komplexe Mikro­strukturen aufbauen. In einem zweiten Schritt wäscht ein Lösungsmittel jene Bereiche aus, die nicht belichtet worden sind. Übrig bleiben komplexe Polymer-Architekturen im Mikro- und Nanometer-Maßstab.

Die Zwei-Photonen-Polymerisation – beziehungsweise der auf diesem Verfahren basierende Zwei-Photonen-Mikrodruck – wird seit einigen Jahren intensiv erforscht – im Hinblick etwa auf die Herstellung von Mikro­optiken, von Meta­materialien oder von Mikrogerüsten für Experimente mit einzelnen biologischen Zellen. Um das Anwendungs­spektrum zu erweitern, bedarf es neuer druckbarer Materialien. Hier setzen die Wissenschaftler des Exzellenz­clusters 3D Matter Made to Order (3DMM2O) des KIT und der Universität Heidelberg an: „Mit bisherigen Fotolacken war es lediglich möglich, transparente, glasartige Polymere zu drucken“, erläutert Frederik Mayer, Hauptautor der Studie und Physiker am KIT. „Unser neuer Fotolack ermöglicht es erstmals, 3D-Mikro­strukturen aus porösem Nano-Schaum zu drucken. Dieser Polymer-Schaum weist Hohlräume einer Größe zwischen dreißig und hundert Nanometern auf, die mit Luft gefüllt sind.“

„Einen Fotolack für den 3D Laser-Mikrodruck, mit dem man ‚weißes‘ Material drucken konnte, gab es bislang nicht“, stellt Frederik Mayer fest. Wie in einer porösen Eierschale bewirken die zahlreichen winzigen Luftlöcher in den porösen Nano-Architekturen, dass diese weiß erscheinen. Einfach weiße Partikel in einen herkömmlichen Lack zu mischen, wäre keine Lösung, denn während des Drucks muss der Fotolack für den (roten) Laserstrahl transparent sein. „Unser Lack“, so Mayer, „ist vor dem Drucken transparent, doch die gedruckten Objekte sind weiß und weisen damit eine hohe Reflektivität auf.“ Diese Eigenschaft demonstrieren die Forscher aus Karlsruhe und Heidelberg mit dem Druck einer haarfeinen Ulbricht-Kugel, eines Bauelements der technischen Optik.

Ein anderer Faktor, der neue Möglichkeiten eröffnet, ist die extrem große innere Oberfläche des porösen Materials. Bei Filter­vorgängen auf kleinstem Raum, bei extrem wasser­abweisenden Beschichtungen oder bei der Kultivierung biologischer Zellen könnte dies einst positiv zu Buche schlagen.

Wozu der neuartige Fotolack geeignet ist und wie er bestmöglich anzuwenden ist, konnten die Forscher in übergreifender Zusammen­arbeit von drei der insgesamt neun Forschungs­schwer­punkte des Exzellenz­clusters beschreiben. Anhand elektronen­mikroskopischer Scans und optischer Experimente zeigten die Forscher, 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. 

KIT / DE
 

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