Jemand Lust auf Schach? Zwar lädt dieser Turm auf den ersten Blick dazu ein, ihn als Spielfigur zu nutzen, doch er ist gerade einmal so breit wie eine menschliche Nervenzelle. Solche feinen Nanostrukturen per 3D-Druck herzustellen, war bislang eine große Herausforderung. Doch Forschende haben nun eine neue Methode entwickelt, die dem Mini-Druck ein nie dagewesenes Maß an Präzision verleiht und gänzlich neue Anwendungsbereiche erschließen könnte.
Ob Gebäude, Käsekuchen oder ein menschliches Herz: All das lässt sich mittlerweile per 3D-Druck herstellen. Auch in der Welt des mikroskopisch Kleinen wird das Verfahren immer weiter optimiert. So konnten Forschende zum Beispiel gerade erst das kleinste Weinglas der Welt erzeugen. Es war nur wenige Mikrometer groß. Doch diese Größenordnung ist längst noch nicht das Limit.
Die Welt der Nanopartikel
Auch im Nanobereich sind dreidimensionale Strukturen überaus nützlich. Stattet man Oberflächen mit optisch aktiven Nanopartikeln aus, lassen sich dadurch ihre Eigenschaften verändern. Indem die Partikel präzise Licht bündeln oder manipulieren, tragen sie zum Beispiel zur Funktion von Solarzellen oder biologischen sowie chemischen Sensoren bei. Andere Formen und Strukturen machen Nanobauteile dagegen zu Motoren und Nano-Robotern.
Doch bei den bisher eingesetzten Nanokonstrukten handelt es sich vorranging um flache Strukturen. Dabei würden komplexere, freistehende Formen der 3D-Architektur noch weitere Einsatzgebiete erschließen. Die Herstellung solcher Mini-Bauwerke gestaltet sich jedoch äußerst schwierig, weil Vorab-Simulationen bisher nur sehr ungenau sind. Vor dem Druck einer Struktur kann man also nie genau wissen, ob sie wirklich das tut, was sie soll. Die Entwicklung neuer 3D-Nanowerke ist daher sehr langwierig und basiert vor allem auf Versuch und Irrtum.
Winzige Türme und Bälle
Doch das könnte sich nun ändern. Denn Forschende um Verena Reisecker von der Universität Graz haben gerade eine Methode entwickelt, mit der sich auch im Nanobereich präzise 3D-Drucke herstellen lassen. Dafür haben sie zunächst die Möglichkeit zur Vorab-Simulation verfeinert, um so nun ganz gezielt neue Formen und Strukturen entwerfen zu können.
Für den eigentlichen Druck setzten Reisecker und ihre Kollegen die zu bedruckenden Oberflächen zunächst unter Vakuumbedingungen speziellen Gasen aus und richteten dann einen fein fokussierten Elektronenstrahl darauf. Dieser Strahl spaltet die Gasmoleküle gezielt auf, wodurch Teile von ihnen in einen festen Zustand übergehen und an der gewünschten Stelle haften bleiben.
„Durch präzise Steuerung von Strahlverschiebung und Belichtungszeit gelingt es uns in einem einzigen Schritt, komplexe Nanostrukturen mit gitter- oder flächenartigen Strukturelementen herzustellen“, erläutert Seniorautor Harald Plank, ebenfalls von der Universität Graz. Wiederholt man diesen Vorgang, entstehen mit der Zeit mehrere übereinander gelagerte Schichten, die schließlich die gewünschten Formen bilden, zum Beispiel einen Schachturm im Miniformat oder einen Ball aus Nanodrähten.
Kleiner als Viren
Wie Reisecker und ihre Kollegen berichten, ist diese neue Technologie derzeit die weltweit einzige, mit der sich selbst komplexe 3D-Strukturen mit Form-Elementen kleiner als zehn Nanometer herstellen lassen. Zum Vergleich: Die kleinsten Viren sind 20 Nanometer groß. Außerdem funktioniert der Druck auf nahezu jeder Art von Oberfläche und ist weitestgehend frei von chemischen Verunreinigungen, wie das Team erklärt.
Vor diesem Hintergrund hoffen die Forschenden, völlig neue Anwendungsbereiche mit ihrer Druck-Technologie zu erschließen. Möglich wären zum Beispiel die ersten 3D-gedruckten Sonden und optischen Pinzetten im Nanometerbereich. (Advanced Functional Materials, 2023; doi: 10.1002/adfm.202310110)
Quelle: Universität Graz
