Forschung & Entwicklung

Materialmix für dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen

Dreidimensionale Strukturen im Mikro- und Nanometermaßstab haben enormes Potenzial für zahlreiche Anwendungen. Mit einer mikrofluidischen Kammer integriert in einem 3-D-Laserlithografiegerät konnten nun mehrfarbig fluoreszierende Sicherheitsmerkmale gefertigt werden.

Als ebenso zuverlässiges wie vielseitiges Verfahren zur Herstellung dreidimensional gedruckter Mikro- und Nanostrukturen hat sich die 3-D-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 3-D-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 unbelichtete 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.

Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) sowie an der School of Chemistry der Queensland University of Technology (QUT) in Brisbane/Australien haben nun im Rahmen des Exzellenzclusters ‚3D Matter Made to Order‘ zusammen mit Forschern von Carl Zeiss ein neues System entwickelt, das es ermöglicht, dreidimensional gedruckte Mikro- und Nanostrukturen effizient und präzise aus mehreren Materialien zu fertigen. Sie haben eine selbst entwickelte mikrofluidische Kammer, welche die Handhabung der Flüssigkeiten auf kleinstem Raum ermöglicht, direkt in ein 3-D-Laserlithografiegerät der Firma Nanoscribe integriert. Die mikrofluidische Kammer enthält ein Deckglas mit einem Durchmesser von zehn Millimetern, auf das sich die 3-D-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 Probenträger geleitet. Zuletzt fließt sie in einen Abfallbehälter.

Die Forscher fertigten mit diesem integrierten System 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.

„Dieses Mikrofluidiksystem ermöglicht, alle Fertigungsschritte für dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen aus mehreren Materialien in ein Gerät zu integrieren“, erklärt Professor Martin Wegener, Arbeitsgruppenleiter am Institut für Angewandte Physik des KIT. „Damit ebnet es den Weg zu echter multimaterieller additiver Fertigung auf der Mikro- und Nanoskala.“

von mn

Originalveröffentlichung:

[F. Mayer, S. Richter, J. Westhauser, E. Blasco, C. Barner-Kowollik, M. Wegener, Multimaterial 3D laser microprinting using an integrated microfluidic system, Sci. Adv. 5 (2019), DOI: 10.1126/sciadv.aau9160]

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