Winzige Strukturen mittels Femtosekundenlaser
Strukturen kleiner als 100 Nanometer mit Strahlung von 790 Nanometern Wellenlänge erzeugt.
„Wenn Sie normalerweise einen Strahl eines Lasers dieser Art fokussieren, tritt Beugung auf, die Ihnen nach den Gesetzen der klassischen Fernfeldoptik die erzielbare Auflösung etwa auf die Hälfte der Wellenlänge begrenzt“, erklärt Jörn Bonse von der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM). Also wären eigentlich nur circa 400 Nanometer möglich gewesen. Doch wie konnten die Wissenschaftler dann diese winzigen regelmäßigen Strukturen gezielt auf einer Titanoberfläche erzeugen?
Ein Blick ins Elektronenmikroskop zeigt Riefen, die ein bisschen an die Wellenstruktur auf dem Meeresboden erinnern. Diese Riefen sind das Ergebnis eines Beschusses des Materials mit ultrakurzen Laserpulsen. 50 Mal kurz hintereinander wird ein Impuls von nur 30 Femtosekunden Dauer auf das Material geschickt.
Den BAM-Wissenschaftlern gelang es, zusammen mit Kollegen vom Max-Born-Institut für Nichlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) Berlin, die richtigen Parameter zu finden, also die richtige Anzahl der Pulse und wie viel Energie pro Fläche die se Pulse übertragen sollen „Diese Riefenstrukturen sehen wir nur ganz knapp oberhalb einer Schwelle, an der überhaupt eine Veränderung am Material erfolgt“, berichtet der Physiker Bonse. Wird die Energiedichte geringfügig erhöht, dann entstehen viel größere Riefen mit Perioden von einigen 100 Nanometern. Doch die waren in diesem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt nicht erwünscht.
Die richtigen Parameter zu finden war nicht einfach, das Verfahren selber ist aber vergleichsweise unkompliziert und industriekonform. Man arbeitet unter Luft und muss nicht aufwendig ein Vakuum erzeugen, wie es notwendig wäre, wenn man Laser einsetzen würde, die eine Wellenlänge von deutlich unter 200 Nanometern erzeugen. Und es ist ein Verfahren, das sich in einem Schritt durchführen lässt. Die Probe wird eingespannt und mit dem Laser bestrahlt. Die Pulse entstehen in einem Oszillator, ein Kristall verstärkt sie, dann fokussiert sie ein Hohlspiegel. Woher die kleinen Strukturen kommen, darüber rätseln die Wissenschaftler noch. Es gibt verschiedene Erklärungs-Ansätze, aber ganz verstanden ist der Prozess noch nicht.
In den kommenden zwei Jahren wird es darum gehen, das Material Reibungsversuchen auszusetzen. Sind die Strukturen stabil? Erzeugen sie weniger Reibung? Mit welchen Ölen kann man sie kombinieren? Das sind nur einige Fragen, die noch geklärt werden müssen. Im biomedizinischen Bereich sehen die Wissenschaftler die Bearbeitung von Implantaten als einen Bereich der Anwendung. Durch diese winzigen Riefenstrukturen – so die Hoffnung der BAM-Forscher – könnte das bearbeitete Material besser vom Körper aufgenommen werden und Zellen es einfacher haben, sich auf der Oberfläche anzusiedeln. Bisher hat man sich bei den Versuchen auf Titan konzentriert. „Der Vorgang ist aber auf andere Materialien übertragbar“, sagt der Physiker Jörg Krüger, der ebenfalls an der Veröffentlichung beteiligt war.
BAM / PH
