dreidimensionale
Strukturen im Mikro- und Nanometermaßstab haben enormes Potenzial für
zahlreiche Anwendungen. Ein effizientes und präzises Verfahren, solche
Strukturen aus verschiedenen Materialien zu drucken, präsentieren
Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Carl
Zeiss AG nun in der Zeitschrift Science Advances: Sie haben
eine mikrofluidische Kammer in ein 3D-Laserlithografiegerät integriert.
Mit diesem System fertigten sie mehrfarbig fluoreszierende
Sicherheitsmerkmale, die Geldscheine, Dokumente und Markenprodukte vor
Fälschung schützen können. (DOI: 10.1126/sciadv.aau9160)

Von Bauteilen zur
Datenverarbeitung mit Licht über optische Mikrolinsen, mechanische
Metamaterialien, künstliche Gerüste für Zellkulturen bis hin zu
Sicherheitsmerkmalen für Geldscheine oder Markenprodukte –
dreidimensional gedruckte Mikro- und Nanostrukturen erobern immer mehr
Anwendungen. Als ebenso zuverlässiges wie vielseitiges Verfahren zu
ihrer Herstellung hat sich die 3D-Laserlithografie etabliert: Ein
Laserstrahl durchfährt computergesteuert einen flüssigen Fotolack, wobei
nur das Material am Fokuspunkt des Laserstrahls belichtet wird und
aushärtet. So entstehen hochpräzise filigrane Strukturen für
verschiedene Einsatzbereiche wie Optik und Photonik,
Materialwissenschaften, Biotechnologie oder Sicherheitstechnik. Die mit
3D-Laserlithografie hergestellten Mikro- und Nanostrukturen bestehen bis
jetzt allerdings fast alle aus nur einem Material. Grundsätzlich lassen
sie sich auch mit mehreren Materialien fertigen, indem unterschiedliche
Fotolacke nacheinander aufgetragen und ausgehärtet werden, wobei der
unbelichtete Lack jedes Mal in einem anschließenden Entwicklerbad
ausgewaschen wird. Ein solches Vorgehen ist jedoch nicht nur zeit- und
arbeitsaufwendig, sondern wird mit steigender Zahl der Materialien und
Durchläufe auch immer ungenauer.

Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler am Institut für Nanotechnologie (INT), am Institut
für Angewandte Physik (APH) und am Institut für Technische Chemie und
Polymerchemie (ITCP) des KIT sowie an der School of Chemistry der
Queensland University of Technology (QUT) in Brisbane/Australien haben
nun im Rahmen des Exzellenzclusters „3D Matter Made to Order“ und
zusammen mit Forschern der Carl Zeiss AG ein neues System entwickelt,
das es ermöglicht, dreidimensional gedruckte Mikro- und Nanostrukturen
effizient und präzise aus mehreren Materialien zu fertigen: Sie haben
eine mikrofluidische Kammer, welche die Handhabung der Flüssigkeiten auf
kleinstem Raum ermöglicht, direkt in ein 3D-Laserlithografiegerät
integriert.

Wie die Forscher in
ihrer Publikation „Multimaterial 3D laser microprinting using an
integrated microfluidic system“ in der Zeitschrift Science Advances berichten, fertigten sie mit diesem integrierten System
dreidimensionale mikrostrukturierte Sicherheitsmerkmale mithilfe von
sieben verschiedenen Flüssigkeiten: einem nichtfluoreszenten Fotolack
als Rückgrat, zwei Fotolacken mit verschiedenen fluoreszierenden
Quantenpunkten, zwei Fotolacken mit verschiedenen fluoreszierenden
Farbstoffen und zwei Entwicklerflüssigkeiten. Solche Sicherheitsmerkmale
können Geldscheine, Dokumente und Markenprodukte vor Fälschung
schützen. Ein Sicherheitsmerkmal besteht aus einem von Stützwänden
umgebenen dreidimensionalen Gitter und fluoreszierenden Markern in
verschiedenen Farben.

Für ihr System nutzten
die Wissenschaftler ein von der Nanoscribe GmbH – einem Spin-off des KIT
– entwickeltes und vertriebenes 3D-Laserlithografiegerät und
integrierten eine selbst entwickelte mikrofluidische Kammer. Diese
enthält ein Deckglas mit einem Durchmesser von zehn Millimetern, auf das
sich die 3D-Strukturen drucken lassen. Sie ist verbunden mit einem
elektronischen Druckregler, bis zu zehn Behältern für die verschiedenen
Fotolacke und Entwickler sowie einem sternförmigen Auswahlventil. Die
jeweils ausgewählte Flüssigkeit wird durch ein Überdruckventil auf einen
Probenträger geleitet. Zuletzt fließt sie in einen Abfallbehälter.
„Dieses Mikrofluidiksystem ermöglicht, alle Fertigungsschritte für
dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen aus mehreren Materialien in
ein Gerät zu integrieren“, erklärt Professor Martin Wegener,
Arbeitsgruppenleiter am APH des KIT. „Damit ebnet es den Weg zu echter
multimaterieller additiver Fertigung auf der Mikro- und Nanoskala.“

Originalpublikation (Open Access):

Frederik Mayer,
Stefan Richter, Johann Westhauser, Eva Blasco, Christopher
Barner-Kowollik, Martin Wegener: Multimaterial 3D laser microprinting
using an integrated microfluidic system. Science Advances, 8 February
2019. DOI: 10.1126/sciadv.aau9160