3D-Druck für Nanostrukturen

Karlsruhe - Ersatzteile aus Plastik, Design-Prototypen, Architekturmodelle oder gar gemusterte Kekse – 3D-Drucker drängen in immer mehr Anwendungsbereiche vor. Für winzige Objekte mit millionstel Millimeter kleinen Strukturen haben deutsche Wissenschaftler nun einen Nano-3D-Drucker entwickelt. Wie sie in der Fachzeitschrift „Applied Physics Letters“ berichten, konnten sie mit Lasern die extrem feinen Spitzen für Rasterkraftmikroskope in verschiedenen Formen schnell und günstig produzieren. Damit ließen sich in Zukunft die oft in aufwendiger Handarbeit gefertigten und relativ teuren Mikroskopspitzen ersetzen.

„Unsere Methode bietet den Vorteil, dass sich für jede Probe , die man untersuchen möchte, die perfekte Spitze herstellen lässt“, sagt Hendrik Hölscher vom Karlsruhe Institut für Technologie KIT. Zusammen mit seinen Kollegen nutzte er stark fokussierte und extrem kurze Pulse eines Infrarotlasers. Dieses Licht lenkten sie auf einen flüssigen Kunststoffharz. Dabei konnten sie exakt steuern, an welchen Positionen im Kunststoffharz genau zwei Lichtteilchen zur Verfügung standen und genug Energie boten, um das Material zu polymerisieren und damit auszuhärten. Danach ließ sich die ausgehärtete Struktur vom nicht polymerisierten Rest trennen.

Mit diesem Verfahren der 3D-Laserlithographie, einer speziellen Variante des 3D-Drucks, fertigte Hölscher Mikroskopspitzen mit nur 25 Millionstel Millimeter Durchmesser. Die Länge der winzigen Nadeln war variabel und konnte sogar 100 Mikrometer erreichen. Damit eigneten sie sich vor allem für die Untersuchung von biologischen Proben. „Zum Beispiel haben Blütenblätter von Tulpen oder Rosen häufig Strukturen, die sehr tief sind sind und hohe Hügelchen aufweisen“, sagt Hölscher. Erste Aufnahmen mit einem Rasterkraftmikroskop bestätigten, dass die neuen, speziell designten Mikroskopspitzen tatsächlich sehr hoch aufgelöste Bilder von Rosenblättern ermöglichten.

Unter Abschluss von Sauerstoff und mit großer Hitze konnten diese Kunststoffspitzen auch in elektrisch leitfähigen Kohlenstoff umgewandelt werden. Bei diesem Pyrolyse-Prozess schrumpften sie sogar noch etwas, behielten jedoch ihre spitze Form. Zusammen mit dem Unternehmen Nanoscribe, einer Ausgründung des Karlsruhe Institut für Technologie, könnte dieses 3D-Nanodruckverfahren weiter entwickelt werden, um in Zukunft maßgeschneiderte Mikroskopspitzen deutlich günstiger anbieten zu können als heute.