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3D-Druck : Das Fachwerk für die Mikrowelt

Erst unter dem Elektronen-Mikroskop kann man das weltweit kleinste Fachwerk erkennen, das mit der 3D-Druck-Technik gefertigt wurde. Die Strebendurchmesser beträgt 0,2 Mikrometer, die Gesamtgröße rund 10 Mikrometer. Bild: Jens Bauer, Karlsruher Institut für Technologie

Kleiner geht’s kaum noch: Eine mit dem Laser geschnitzte 3D-Gerüststruktur schrumpft durch Erhitzen und erhält dadurch fast die Festigkeit von Diamant.

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          Gerade mal zehn Mikrometer groß und damit selbst mit einer Lupe kaum zu erkennen ist eine filigrane Gerüststruktur, die Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie erschaffen haben. Erst mit einem Elektronen-Mikroskop werden die Details der Konstruktion sichtbar. So besteht das luftige Gebilde aus unzähligen Tetraedern, die von winzigen, weniger als einen Mikrometer langen und nur etwa 200 Nanometer dicken Streben aufgespannt werden.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Dieses Gerüst macht das Gerüst äußerst stabil, wie Druckmessungen gezeigt haben. Nur Diamant weist noch eine höhere spezifische Stabilität auf. Die Streben bestehen aus amorphem Kohlenstoff. Das glasartige Material, das üblicherweise durch Pyroloyse von Kunststoff entsteht, ist äußerst widerstandsfähig und robust.

          Detailansicht: Nur 200 Nanometer dick sind die Streben.

          Zur Herstellung des winzigen Gebildes haben die Wissenschaftler um Jens Bauer zunächst eine fünfmal so große Originalversion mit der 3D-Lithographie angefertigt. Als Ausgangsmaterial verwendeten sie eine besondere Kunstharzlösung, die mit einem Laserstrahl belichtet wurde. Nur am Brennpunkt des Strahls erstarrte die Lösung. Der Weg des Laserlichts durch das Kunstharz steuerte ein Computer, mit dem zuvor ein dreidimensionales Modell des Werkstücks entworfen wurde. Nachdem das Werkstück komplett belichtet und ausgehärtet war, wurde das noch flüssige Restharz entfernt. Das Ergebnis war ein Gerüst mit Streben von einem Mikrometer Dicke und fünf bis zehn Mikrometern Länge.

          Schrumpfen erhöht Stabilität

          Als man anschließend das Gebilde auf 900 Grad erhitzte, zersetzte sich der Kunststoff und es blieb nur Kohlenstoff in der für Glas typischen amorphen Form zurück. Gleichzeitig schrumpfte das Werkstück auf seine endgültigen Maße, ohne dass sich dabei die Struktur veränderte. Um zu verhindern, dass sich beim des Erhitzen und Abkühlen die Gerüststruktur verformte, hatten die Forscher das Werkstück auf einem Podest plaziert, auf dem es sich frei bewegen konnte. Das Ergebnis war eine um einen Faktor 50 Prozent verkleinerte sowie deutlich leichtere und stabilere Version des Originals, wie Bauer und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature Materials berichten. Die Robustheit ließ sich noch steigern, als man die Streben mit einer dünnen Aluminiumschicht überzog.

          Was zunächst wie Spielerei anmutet, hat einen nützlichen Hintergrund. Solche künstlichen Gerüststrukturen - auch Metamaterialien genannt - sind für eine Reihe technischer Anwendungen interessant, da sie mechanische und optische Eigenschaften aufweisen, die man mit herkömmlichen Feststoffen gar nicht oder nur schwer erreichen kann. Beispiele sind Leichtbau-Nanowerkstoffe mit hoher Stabilität, aber auch photonische Kristalle, die Lichtwellen ähnlich manipulieren wie ein Halbleiter die elektrischen Ladungsträger.

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