Die Herstellung von Objekten, die so klein sind, dass sie die Breite eines menschlichen Haares unterschreiten, wurde bisher mit einem Fertigungsverfahren namens Zwei-Photonen-Polymerisation, auch bekannt als 2PP, erreicht – der aktuelle Stand der Technik in der additiven Mikro- und Nanofabrikation. Winzige Skulpturen wie eine Miniatur-Nachbildung des Eiffelturms oder des Taj Mahal sorgten für Schlagzeilen.
Solche Kreationen sind zwar beeindruckend anzusehen, ihre Bedeutung reicht jedoch weit darüber hinaus. 3D-Mikro- und Nanofabrikationstechniken sind für viele wissenschaftliche Bereiche wichtig, beispielsweise für die Medizin, das Ingenieurwesen und natürlich die Robotik.
Bislang gab es jedoch eine große Einschränkung: Miniatur-3D-Objekte konnten bisher nur aus wenigen Materialien hergestellt werden, vor allem aus Polymeren. Man kann zwar beeindruckend detaillierte Modelle drucken, aber nur mit einer einzigen Art von Modelliermasse.
Optofluidische Technik öffnet den Weg zu vielfältigen Materialien
In einem Artikel mit dem Titel „Optofluidic three-dimensional microfabrication and nanofabrication“ stellt ein Team von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) und der National University of Singapore (NUS) ein neues 3D-Fertigungsverfahren im Mikro- und Nanobereich vor, das nicht mehr ausschließlich auf Polymere beschränkt ist. In ihrer Arbeit zeigen die Forscher, wie sie verschiedenste Materialien verwenden: von Metallen über Metalloxiden bis hin zu Kohlenstoffmaterialien oder Halbleitern.
„Die Schlüsselidee dieser Studie besteht darin, optofluidische Wechselwirkungen, also lichtgetriebene Strömungen zielgerichtet anzuwenden. So können wir die 3D-Anordnung verschiedener Mikro- oder Nanopartikel in eine Form hineinsteuern“, erklärt der Mitautor der Publikation, Mingchao Zhang. Er ist Assistenzprofessor an der National University of Singapore.
Der entscheidende Faktor ist der durch Wärme induzierte, auf einen Punkt fokussierte Flüssigkeitsstrom, der durch einen Femtosekundenlaser ausgelöst wird. Der Laser erwärmt einen winzigen Punkt innerhalb der Flüssigkeit, in der die Partikel schwimmen. An diesem Hotspot werden die Partikel gezielt gebündelt. Zeigt der Laser auf eine kleine Öffnung an der Seite einer Polymer-Mikroform, ähnlich einer Kuchenform oder eines Sandförmchens – passieren die Partikel diese Lücke, um sich dann in der Kuchenform wieder auszubreiten.
„Der Femtosekundenlaser induziert einen lokalisierten thermischen Gradienten, der einen starken Fluss erzeugt und die Partikel genau dorthin treibt, wo wir sie haben wollen. Dabei kann die Form beliebig sein: von einer Würfelstruktur über Kugeln bis hin zu einer Croissantform, vieles ist möglich“, sagt der Erstautor der Publikation, Xianglong Lyu, der am MPI-IS forschte und nun als Postdoktorand am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) arbeitet. „Sobald wir alle Partikel gebündelt haben, wird die Polymer-Außenhülle entfernt, sodass eine freistehende Struktur zurückbleibt, die vollständig aus dem gewünschten Material mit der gewünschten Form und Größe besteht. Nun können wir also nicht nur eine Art von Modelliermasse nutzen, sondern eine ganze Werkzeugkiste voller Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften.“
Multimaterial‑Mikrostrukturen ermöglichen neue Funktionen und Anwendungen
Um zu zeigen, was mit dieser neuen optofluidischen Fertigungsmethode möglich ist, baute das Team verschiedene winzige Geräte, wie beispielsweise Mikroventile, die Partikel in haardünnen Kanälen nach ihrer Größe sortieren können. Oder sie bauten Mikroroboter, die aus mehr als nur einem Material bestehen und auf unterschiedliche Weise bewegt werden können, je nachdem, ob sie durch Licht oder ein externes Magnetfeld angetrieben werden. Alle Strukturen sind stabil: Die zusammengesetzten Partikel werden durch starke Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten, wodurch die Strukturen auch ohne chemische Bindungen selbsttragend und mechanisch stabil sind.
„Die optofluidische Montage überwindet die materiellen Einschränkungen der herkömmlichen Zwei-Photonen-Polymerisation. Unsere neue Technologie ermöglicht es uns, winzige 3D-Objekte aus fast jedem Material zu formen. Dies eröffnet neue Horizonte für multifunktionale Mikroroboter, Mikrotechnologie und viele andere Anwendungen, die heute noch wie Science-Fiction klingen“, fasst Metin Sitti die Forschungsarbeit zusammen. Sitti leitete die Abteilung für Physische Intelligenz am MPI-IS und ist nun Präsident der Koç-Universität in Istanbul.
