Nano-Lego für 3D-Strukturen

Upton (USA) - Akkus, Solarzellen, Sensoren oder Membranen: Viele Produkte lassen sich mit filigran strukturierten Nanomaterialien weiter verbessern. Doch die nötigen Fertigungstechniken wie etwa sie bei der Chipherstellung genutzten Lithografie-Verfahren sind aufwendig und teuer. Eine günstigere Methode haben nun amerikanische Wissenschaftler im Blick. Sie brachten Kunststoffmoleküle dazu, sich völlig selbstständig zu komplexen, dreidimensionalen Nanostrukturen anzuordnen. Mit dieser Nano-Lego-Methode, die die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ beschreiben, könnte in Zukunft auf eine Vielzahl von Substanzen übertragen werden.

„Wir können nun einzelne Schichten über eine Selbstorganisation übereinander stapeln und so verblüffend verschachtelte 3D-Strukturen kreieren“, sagt Atikur Rahman vom Brookhaven National Laboratory in Upton. Zusammen mit seinen Kollegen baute Rahman eine Vielzahl verschiedener Strukturen aus gestapelten Nanostreifen und Nanosäulen mit exakt definierten Hohlräumen zwischen den einzelnen Bauteilen. Den filigranen Aufbau der Strukturen machten sie mit einem Rasterelektronenmikroskop und für einen tieferen Einblick über die Beugung von Röntgenstrahlung sichtbar.

Als Materialien griffen die Wissenschaftler zu zwei Polymertypen: Polystyrol und Polymethylmethacrylat, aus dem auch Acrylglas besteht. Zuerst beschichteten sie eine saubere Oberfläche mit diesen Polymeren. Nach einem kurzen Aufheizen ordneten sich die Polymermoleküle zu gleichförmigen Nanobalken an. Diese Struktur setzten sie darauf in eine Atmosphäre aus Trimethylaluminium. Diese Metallverbindung infiltrierte die Polymere, reagierte zu stabilem Aluminiumoxid und stabilisierte so die Struktur. Die Oberfläche diente wiederum als Grundlage für weitere Nanostrukturen, die sich abermals selbstständig aus einer Polymerschicht bildeten. Dieser Prozess ließ sich prinzipiell mehrere Male wiederholen, um schließlich fast beliebig komplexe Nanostrukturen aufzubauen. Zum Abschluss konnten die Forscher mit einem Sauerstoff-Plasma alle Polymerbestandteile veraschen und entfernen. Zurück blieb jeweils ein dreidimensionales Probestück aus Aluminiumoxid mit komplex gewundenen und lamellenförmigen Geometrien.

„Diese Methode der Selbstorganisation ist günstig und auf größere Mengen skalierbar“, sagt Rahmans Kollege Gregory Doerk. „Ganz ohne komplizierte Werkzeuge, die sonst nötig wären, können wir nun präzise Nanostrukturen fertigen.“ In kommenden Versuchen könnte diese Methode nach den vielversprechenden Resultaten mit Polymeren auf weitere Substanzen angewendet werden. So ließen sich in Zukunft nicht nur nanoporöse Membranen etwa für Akkus oder Sensoren, sondern auch beispielsweise elektrisch leitende oder halbleitende Nanostrukturen in schnellen Prozessen produzieren.