Das kleinste Matterhorn der Welt
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.
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
