Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“ Neue Technik für kompakte 3D-Laser-Nanodrucker

12. Januar 2022

Für additive Fertigung mit 3D-Druck ist Laserdrucken mit der besten räumlichen Auflösung und zugleich einer extrem hohen Druckgeschwindigkeit oft das Verfahren „der Wahl“. Dabei richtet sich ein fokussierter Laserstrahl auf eine lichtempfindliche Flüssigkeit. Im Brennpunkt aktiviert das Laserlicht spezielle Moleküle und löst eine chemische Reaktion aus. Sie führt zu einer lokalen Verfestigung des Materials. Durch Verschieben des Brennpunkts können beliebige Mikro- und Nanostrukturen hergestellt werden. Die Reaktion wird dabei durch die sogenannte Zwei-Photonen-Absorption bewirkt: Zwei Photonen – das heißt Lichtteilchen – regen das Molekül gleichzeitig an, was die gewünschte chemische Veränderung bewirkt. Dafür müssen jedoch komplexe gepulste Lasersysteme eingesetzt werden, was größere Dimensionen beim Laserdrucker zur Folge hat. Kompaktere, kleinere Drucker sind dagegen mit dem sogenannten Zwei-Stufen-Verfahren möglich. Dabei wird das Molekül durch ein erstes Photon in einen Zwischenzustand und durch ein zweites Photon in den gewünschten Endzustand versetzt. Damit startet die chemische Reaktion. Der Vorteil: Dies muss nicht wie bei der Zwei-Photonen-Absorption gleichzeitig geschehen. Der Prozess gelingt mit kompakten und leistungsarmen Dauerstrich-Laserdioden, wie Erstautor Vincent Hahn vom Institut für Angewandte Physik des KIT erläutert. Für dieses Druckverfahren müssen jedoch spezifische Fotolacke verwendet werden. Ihre Entwicklung, die mehrere Jahre dauerte, konnte in Zusammenarbeit mit Chemikerinnen und Chemikern realisiert werden.

„Um den Prozess der Zwei-Stufen-Absorption zu ermöglichen, musste die Photochemie vorsichtig angepasst werden“, erläutert Juniorprofessorin Dr. Eva Blasco vom Organisch-Chemischen Institut (OCI) und Centre for Advanced Materials (CAM) an der Universität Heidelberg. Die Chemikerin entwickelte zusammen mit Physikern vom KIT den Fotolack, der im neuen Druckverfahren eingesetzt wird. Die Struktur der damit gedruckten photonischen Kristalle wurde anschließend am CAM mithilfe von Elektronenmikroskopie analysiert. Zuständig war dafür die Arbeitsgruppe unter der Leitung von Prof. Dr. Rasmus Schröder. „Unsere Aufgabe war es, die erreichbare Auflösung des neuen Druckverfahrens zu validieren“, erklärt Dr. Irene Wacker, Wissenschaftlerin in der Gruppe von von Prof. Schröder. Eine mögliche Anwendung für 3D-Nanodrucker wären zum Beispiel Gerüststrukturen für eine künstliche Retina, die in Zusammenarbeit mit Biologinnen und Biologen am Exzellenzcluster entstehen soll.

Die Heidelberger Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass die neue Technik aufgrund der geringeren Kosten künftig vielen Forschern zur Verfügung stehen wird, um Nanostrukturen für biologische und technische Anwendungen drucken zu können. Neben dem Laser selbst müssen nun auch die anderen Komponenten eines 3D-Laser-Nanodruckers miniaturisiert werden, so Prof. Dr. Martin Wegener. Der Wissenschaftler vom Institut für Angewandte Physik des KIT hält ein schuhschachtelgroßes Gerät in den nächsten Jahren für durchaus realistisch.

Im Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“ forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler interdisziplinär an innovativen Technologien und Materialien für digitale und skalierbare Additive Fertigungsverfahren, um den 3D-Druck präziser, schneller und leistungsfähiger zu machen. Ziel ist es, die 3D-Fertigung und Materialverarbeitung vom Molekül bis zur Makrostruktur vollständig zu digitalisieren. Zusätzlich zur Förderung als Cluster innerhalb der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder wird 3DMM2O von der Carl-Zeiss-Stiftung gefördert.