Presseinformation 106/2021

3-D-Laser-Nanodrucker als kleines Tischgerät

Forschende im Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“ zeigen, wie dreidimensionale Nanostrukturen mit kompakten Tischgeräten gedruckt werden können – Veröffentlichung in Nature Photonics
Elektronenmikroskopische Rekonstruktion einer 3-D-Nanostruktur, die mit dem Zwei-Stufen-Verfahren gedruckt wurde (links) sowie lichtmikroskopische Aufnahme (rechts) (Foto: Professor Rasmus Schröder, Universität Heidelberg, Vincent Hahn, KIT)
Elektronenmikroskopische Rekonstruktion einer 3-D-Nanostruktur, die mit dem Zwei-Stufen-Verfahren gedruckt wurde (links) sowie lichtmikroskopische Aufnahme (rechts) (Foto: Professor Rasmus Schröder, Universität Heidelberg, Vincent Hahn, KIT)

Die Laser in heutigen Laserdruckern für Papierausdrucke sind winzig klein. Bei 3-D-Laserdruckern, die dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen drucken, sind dagegen bisher große und kostspielige Lasersysteme notwendig. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der Universität Heidelberg nutzen nun stattdessen ein anderes Verfahren. Die Zwei-Stufen-Absorption funktioniert mit winzig kleinen blauen Laserdioden, die kostengünstig sind. Dadurch ist es möglich, mit weitaus kleineren Druckern zu arbeiten. Über ihre Arbeit berichten die Forschenden in der Zeitschrift Nature Photonics. (DOI: 10.1038/s41566-021-00906-8)

Für additive Fertigung mit 3-D-Druck ist Laserdrucken heute das Verfahren der Wahl, denn es bietet von allen Verfahren die beste räumliche Auflösung und zugleich eine extrem hohe Druckgeschwindigkeit. Beim Laserdrucken richtet sich ein fokussierter Laserstrahl auf eine lichtempfindliche Flüssigkeit. Im Brennpunkt legt das Laserlicht in speziellen Molekülen gleichsam einen Schalter um, der eine chemische Reaktion auslöst. Sie führt zu einer lokalen Verfestigung des Materials. Durch Verschieben des Brennpunkts können beliebige Mikro- und Nanostrukturen hergestellt werden. Die chemische Reaktion wird dabei durch die sogenannte Zwei-Photonen-Absorption bewirkt, das heißt zwei Lichtteilchen (Photonen) regen das Molekül gleichzeitig an, was die gewünschte chemische Veränderung bewirkt. Diese gleichzeitige Anregung ist jedoch äußerst selten, weswegen komplexe gepulste Lasersysteme eingesetzt werden müssen, was wiederum größere Dimensionen beim Laserdrucker zur Folge hat.

Kompaktere 3-D-Drucker durch Zwei-Stufen-Verfahren
 
Kompaktere, kleinere Drucker sind dagegen mit dem sogenannten Zwei-Stufen-Verfahren möglich. Dabei versetzt das erste Photon das Molekül in einen Zwischenzustand. In der zweiten Stufe bringt ein zweites Photon das Molekül aus dem Zwischenzustand in den gewünschten Endzustand – und startet die chemische Reaktion. Der Vorteil: Dies muss nicht wie bei der Zwei-Photonen-Absorption gleichzeitig geschehen. „Daher gelingt der Prozess mit kompakten und leistungsarmen Dauerstrich-Laserdioden“, erklärt Vincent Hahn, Erstautor der Publikation, vom Institut für Angewandte Physik (APH) des KIT. Die hierfür erforderlichen Laserleistungen liegen sogar deutlich unter denen von handelsüblichen Laserpointern. Für dieses Druckverfahren müssen jedoch spezifische Fotolacke verwendet werden. „Die Entwicklung dieser Fotolacke hat einige Jahre gedauert und war auch nur durch die Zusammenarbeit mit Chemikerinnen und Chemikern möglich“, erläutert Professor Martin Wegener vom APH.

Nicht nur einfacher, sondern sogar besser

„In der Publikation zeigen wir, dass die Idee funktioniert, und dies sogar besser als bei der bisher verwendeten Zwei-Photonen-Absorption“, so Hahn. Der Vorteil in der Anwendung liegt für Wegener auf der Hand: „Es macht schon einen erheblichen Unterschied, ob man einen kistengroßen Femtosekunden-Laser für einige Zehntausend Euro braucht oder einen stecknadelkopfgroßen Halbleiter-Laser für weniger als zehn Euro. Jetzt gilt es, die anderen Komponenten des 3-D-Laser-Nanodruckers auch zu miniaturisieren. Dabei scheint mir ein schuhschachtelgroßes Gerät in den nächsten Jahren durchaus realistisch. Das wäre dann sogar kleiner als der Laserdrucker auf meinem Schreibtisch am KIT.“ So können 3-D-Laser-Nanodrucker plötzlich für viele Gruppen erschwinglich werden. Fachleute sprechen bereits von der Demokratisierung der 3-D-Drucktechnologie.
 
Neben den Forschern des KIT waren an der Publikation auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Heidelberg beteiligt. Die Veröffentlichung entstand im Rahmen des gemeinsamen Exzellenzclusters „3D Matter Made to Order“ von KIT und Universität Heidelberg.

Exzellenzcluster „3D Matter Made to Order“

Im Exzellenzcluster 3D Matter Made to Order (3DMM2O) forschen Wissenschaftler*innen des Karlsruher Instituts für Technologie und der Universität Heidelberg 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 Exzellenzcluster innerhalb der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder wird 3DMM2O durch die Carl-Zeiss-Stiftung gefördert. Weitere Informationen: https://www.3dmm2o.de

Originalpublikation:
V. Hahn, T. Messer, M. Bojanowski, E.R. Curticean, I. Wacker, R. Schröder, E. Blasco, and M. Wegener: Two-step absorption instead of two-photon absorption in 3D laser nanoprinting. Nature Photonics, 2021. DOI:  10.1038/s41566-021-00906-8.

https://www.nature.com/articles/s41566-021-00906-8

Weitere Informationen zum Exzellenzcluster 3D Matter Made to Order:
https://www.3dmattermadetoorder.kit.edu

Weitere Informationen zur Max Planck School of Photonics:
https://photonics.maxplanckschools.org/home

Details zum KIT-Zentrum Materialien:
https://www.materials.kit.edu

Die 1386 gegründete Ruperto Carola ist eine international ausgerichtete Forschungsuniversität, deren Fächerspektrum die Geistes-, Sozial- und Rechtswissenschaften sowie die Natur-, Ingenieur- und Lebenswissenschaften einschließlich der Medizin umfasst. Ihre Erfolge in den Exzellenzwettbewerben – sie gehört zur Gruppe der deutschen Exzellenzuniversitäten – ebenso wie in internationalen Rankings belegen ihre führende Rolle in der Wissenschaftslandschaft. Es ist das Selbstverständnis der Universität Heidelberg, herausragende Einzeldisziplinen weiterzuentwickeln, die fächerübergreifende Zusammenarbeit zu stärken und ihre Forschungsergebnisse in die Gesellschaft zu tragen. Den rund 30 000 Studierenden bietet sie mit einem forschungsorientierten Studium in mehr als 180 Studiengängen eine nahezu einzigartige Vielfalt an Fächerkombinationen und individuellen Qualifikationswegen.

Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 600 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 23 300 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.

rli, 30.11.2021
Kontakt:

 

Monika Landgraf
Leiterin Gesamtkommunikation, Pressesprecherin
Tel: +49 721 608-41150
Fax: +49 721 608-43658
presse does-not-exist.kit edu

Kontakt für diese Presseinformation:

Regina Link
Pressereferentin
Tel.: +49 721 608-41158
regina link does-not-exist.kit edu