Maßgeschneiderter Materialmix für Mikro- und Nanostrukturen
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
