Forscher 3D-drucken Mikrochips und Metall-Mikrostrukturen in Rekordauflösung

Eine Forschungsgruppe der Universität Freiburg hat die Möglichkeiten des 2-Photonen-Polymerisations-3D-Drucks (2PP 3D-Druck) erheblich erweitert. Mit einem speziellen 3D-Drucker gelang es den Wissenschaftlern, Mikrochips und Metall-Mikrostrukturen mit bislang unerreichter Präzision herzustellen.

Nachdem das Team im Jahr 2021 gezeigt hatte, dass komplexe 3D-Mikrostrukturen aus Platin mit Auflösung im Submikrometerbereich gedruckt werden können, gelang es der Forschungsgruppe jetzt, ähnliche Strukturen aus Wolfram sowie komplexe mikrofluidische Chips mit einer Auflösung von nur 1 μm in noch nie dagewesener Geschwindigkeit herzustellen. In allen drei Arbeiten verwendete der leitende Wissenschafter Manuel Luitz einen NanoOne 2PP 3D-Drucker der UpNano GmbH (Österreich). Von diesem Unternehmen konnte Luitz nun auch als Mitarbeiter gewonnen werden und die Möglichkeiten des 2PP 3D-Druck mit dessen Team weiter neu definieren.

Zwei wesentliche Grenzen für eine breitere Anwendung des hochauflösenden 2PP 3D-Drucks sind Druckgeschwindigkeit und Verfügbarkeit der Materialien für die notwendige Photopolymerisation. Manuel Luitz hat diese Einschränkungen während seiner Zeit am Labor für Verfahrenstechnik (NeptunLab) an der Universität Freiburg in Deutschland in mehrjähriger Arbeit deutlich verringert. Die Ergebnisse seiner Forschungstätigkeit wurden in drei aufeinanderfolgenden Publikationen veröffentlicht, von denen die letzte gerade erst in Advanced Materials Technology erschienen ist.

Kanalreinigung

In dieser neuesten Entwicklung haben Luitz und Kollegen ein Entwicklungsschema für komplexe mikrofluidische Chips mit Auflösung im einzelnen Mikrometerbereich mit dem NanoOne-Drucker der UpNano GmbH (Österreich) definiert. Dieser Drucker ist der schnellste 2PP 3D-Drucker auf dem Markt, der hochauflösenden 3D-Druck mit einer erstaunlichen Auflösung von fünfzehn Größenordnungen ermöglicht. Mit der Leistung des Druckers konnte das Team einen Chip drucken, der über eine Chip-to-World-Schnittstelle mit einer druckgetriebenen Pumpe verbunden werden konnte. “Dies ist ein Durchbruch bei der Herstellung von mikrofluidischen Chips”, erklärt Manuel Luitz, “denn eines der größten Hindernisse beim hochauflösenden 3D-Druck dieser Teile ist das Freispülen der eingebetteten Kanäle von nicht ausgehärtetem Material. So konnten wir Mäanderchips mit Kanallängen von bis zu 20 cm, Tröpfchengeneratorchips und einen Zellsortierungschip auf Basis deterministischer lateraler Verschiebung mit Säulendurchmessern von 30 μm und Säulenabständen von 4 μm herstellen.” „Mikrofluidische Chips mit Zentimeterabmessungen und μm-Auflösung sind damit in einem überschaubaren Zeitrahmen von weniger als 12 Stunden mit dem NanoOne druckbar”, erklärt Luitz.

Gezähmtes Wolfram

Kurz zuvor setzte Luitz den NanoOne-Drucker für einen ganz anderen Zweck ein, der die Palette der Materialien, die mit 2PP 3D-Druck gefertigt werden können, erheblich erweitern würde. Er “zähmte” Wolfram und Wolframkarbid für dieses hochauflösende additive Fertigungsverfahren. Das war keine leichte Aufgabe, denn beide Materialien sind für ihre extreme Härte (Mohs-Skala 9,0) und Hitzebeständigkeit (Schmelzpunkt > 3.400 Grad Celsius) bekannt und daher schwer zu bearbeiten. Hochauflösende Objekte aus Wolfram und seinen Karbiden sind jedoch für Anwendungen wie Emitterspitzen, Sonden, Mikrowerkzeuge sowie Metamaterialien oder Katalysatoren sehr gefragt.

“Mit einem NanoOne-Drucker”, erklärt Manuel Luitz, “konnten wir ein Herstellungsverfahren auf Basis eines organisch-anorganischen Photoresins mit Wolfram-Ionen entwickeln. Die Polymerteile werden dann thermisch entbunden und reduziert, so dass Wolframteile mit einer Endauflösung von 2 μm und Wolframkarbidteile mit einer Auflösung von 7 μm entstehen.”

Erfahrungsschatz: Platin

Der Erfolg von Luitz am NeptunLab (Teil des Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK) bei der “Zähmung” von Wolfram für den 2PP-3D-Druck mit dem NanoOne kam nicht von ungefähr. Ein ähnliches Ergebnis hatte die Forschungsgruppe bereits mit Platin erzielt. Tatsächlich konnten sie sowohl freistehende Nanosäulen als auch komplexe 3D-Platin-Mikrostrukturen mit einer Auflösung von 300 nm herstellen. Solche kleinen Strukturen werden in verschiedenen technischen Anwendungen zum Einsatz kommen, unter anderem in Metamaterialien und in der Katalyse, wo die große Oberfläche und die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Platin sehr erwünscht sind.

“Wir freuen uns sehr, dass Manuel sich unserem wachsenden UpNano-Team angeschlossen hat,” fügt Denise Hirner, COO und Mitgründerin von UpNano, hinzu. “Als leitendes Mitglied unseres Teams für Anwendungs- und Materialentwicklung wird er die Grenzen des 2PP 3D-Drucks noch mehr erweitern.“

Originalpublikationen:
Fabrication of Embedded Microfluidic Chips with Single Micron Resolution Using Two-Photon Lithography. M. Luitz, B. M. Kırpat Konak, A. Sherbaz, R. Prediger, N. Nekoonam, B. Di Ventura, F. Kotz-Helmer, B. E. Rapp. Adv. Mater. Technol.2023, 2300667. DOI: 10.1002/admt.202300667

High-Resolution Patterning of Organic–Inorganic Photoresins for Tungsten and Tungsten Carbide
Microstructures. M. Luitz, D. Pellegrini, M. von Holst, K. Seteiz, L. Gröner, M. Schleyer, M. Daub, A. Warmbold, Y. Thomann, R. Thomann, F. Kotz-Helmer and B. E. Rapp. Adv. Eng. Mater.2023,25, 2201927. DOI: 10.1002/adem.202201927

High Resolution Patterning of an Organic–Inorganic Photoresin for the Fabrication of Platinum Microstructures. M. Luitz, M. Lunzer, A. Goralczyk, M. Mader, S. Bhagwat, A. Warmbold, D. Helmer, F. Kotz and B. E. Rapp. Adv. Mater. 2021, 33, 2101992. DOI: 10.1002/adma.202101992