Materialien, deren Oberfläche mit einem Muster aus solchen winzigen 3D-Strukturen versehen ist, haben oft besondere Eigenschaften. Was sich die Natur schon lange zunutze macht, könnte für etliche Anwendungen in der Industrie lehrreich sein. So gleiten manche Schlangen über Sand, wobei 3D-Strukturen auf deren Haut helfen, die Reibung deutlich zu reduzieren. Analog ließen sich auch Maschinenbauteile mit einer vergleichbaren Struktur versehen, und damit deren Verschleiß minimieren.

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben winzige und sehr detaillierte Modelle des Matterhorns hergestellt. Die Modelle sind jeweils nur rund sieben Hundertstel Millimeter groß und damit nicht einmal so hoch, wie ein Blatt Papier dick ist. Die Modelle sind zudem so detailliert, dass die einzelnen Strukturen des Matterhorns klar dargestellt sind. Wie beispielsweise dessen Spitze, die im Modell einen Durchmesser von 100 nm hat, und damit gerade einmal so groß ist wie ein Virus.

Die PSI-Forscher Helmut Schift und Robert Kirchner in einem Reinraumlabor am Paul Scherrer Institut. Sie müssen hier spezielle Schutzanzüge tragen, damit kein Staub aus der Kleidung auf die zum Teil nur einige Nanometer großen Strukturen gerät, mit denen hier gearbeitet wird. (Foto: Paul Scherrer Institut / Mahir Dzambegovic)

Diese Modelle herzustellen ist nicht nur Spielerei: Oberflächen, die mit tausenden solcher winzigen 3D-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 Matterhörner angefertigt.

3D-Druck im Nanomaßstab
Um die Matterhornmodelle herzustellen, haben die Forschenden einen besonders detaillierten 3D-Druck verwendet, der als 3D-Fotolithografie bekannt ist (Fachleute sprechen von 2-Photonen-Lithografie). „Wir stellen die Strukturen aus einem lichtempfindlichen Material her“; erklärt Robert Kirchner, Wissenschaftler am PSI. „An Stellen, an denen man es besonders intensiv belichtet, wird das anfänglich flüssige Material fest, das restliche Material kann man anschließend wegwaschen. Zum Belichten verwenden wir einen besonderen Laser, dessen Strahl nur im Brennpunkt einer Linse intensiv genug ist, um das Material entsprechend zu verändern. Diesen Brennpunkt bewegen wir durch das Material hindurch. So können wir für jeden einzelnen nanometergroßen Punkt entscheiden, ob das Material am Ende weggewaschen wird oder stehenbleibt. Auf diese Weise können wir fast beliebig komplexe Objekte mit Details im Nanomaßstab herstellen.“

Der PSI-Forscher Robert Kirchner an dem Lasergerät, mit dem Modelle des Matterhorns hergestellt wurden, die jeweils nur rund sieben Hundertstel Millimeter groß waren. Der Forscher trägt einen Schutzanzug, der das Gerät und die Proben vor Staub und Haaren schützt. Der Raum ist gelb ausgeleuchtet, weil die Modelle aus lichtempfindlichem Material hergestellt werden, das von dem gelben Licht aber nicht beeinflusst wird. (Foto: Paul Scherrer Institut / Mahir Dzambegovic)

Dieses serielle Laserverfahren ist zwar recht aufwendig, muss jedoch nur einmal angewendet werden. Um die Kopien der einzelnen 3D-Struktur – also beispielsweise des Matterhorns – herzustellen, wird mit Hilfe dieser ersten Urform eine Gussform erzeugt. Damit wiederum lassen sich die Strukturen beispielsweise in großen Zahlen gießen und so in Großserie replizieren.

Text: Paul Scherrer Institut / Paul Piwnicki

Kontakt/Ansprechpartner:
Dr. Helmut Schift
Forschungsgruppe Polymer-Nanotechnologie, Paul Scherrer Institut, Villigen PSI, Schweiz
E-Mail: [email protected]

Dr. Robert Kirchner
Forschungsgruppe Polymer-Nanotechnologie, Paul Scherrer Institut, Villigen PSI, Schweiz
E-Mail: [email protected]