Maßgeschneiderter Materialmix für dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen

Dreidimensionale Strukturen im Mikrometer- und Nanometerbereich bieten für viele Anwendungen ein großes Potenzial. Ein effizientes und präzises Verfahren zum Drucken solcher Strukturen aus unterschiedlichen Materialien wird nun von Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Carl Zeiss AG im Bereich Science Advances vorgestellt: Sie integrierten eine Mikrofluidik-Kammer in ein 3D-Laser-Lithographiegerät. Anschließend verwendeten sie dieses System, um mehrfarbige, fluoreszierende Sicherheitsmerkmale herzustellen, um Banknoten, Dokumente und Markenprodukte gegen Fälschung zu schützen.

Von Komponenten zur Datenverarbeitung mit Licht über optische Mikrolinsen, mechanische Metamaterialien oder künstliche Gerüste für Zellkulturen bis hin zu Sicherheitsmerkmalen von Banknoten oder Markenprodukten haben gedruckte dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen einen großen Anwendungsbereich. Die 3D-Laserlithographie hat sich zu einem etablierten, zuverlässigen und vielseitigen Prozess für ihre Herstellung entwickelt. Ein Laserstrahl wird computergesteuert durch einen flüssigen Fotolack geführt, und das Material wird nur im Brennpunkt des Laserstrahls belichtet und gehärtet. Daraus ergeben sich hochpräzise filigrane Strukturen für viele Anwendungen, einschließlich Optik und Photonik, Materialwissenschaften, Biotechnologie oder Sicherheitstechnik. Nahezu alle Mikro- und Nanostrukturen, die bisher durch 3D-Laserlithographie hergestellt wurden, bestehen aus einem einzigen Material. Sie können aber auch aus mehreren Materialien durch aufeinanderfolgendes Aufbringen und Aushärten verschiedener Photoresists hergestellt werden, wobei der unbelichtete Resist in einem nachfolgenden Entwicklungsbad ausgewaschen wird. Ein solches Verfahren ist jedoch sehr zeitaufwändig und kompliziert und seine Genauigkeit nimmt mit zunehmender Anzahl von Materialien und Wiederholungen ab.

Innerhalb des Exzellenzclusters “3D Matter Made to Order” waren Wissenschaftler der KIT-Institute für Nanotechnologie (INT), der Angewandten Physik (APH), für Chemische Technologie und Polymerchemie (ITCP) und der School of Chemistry der Queensland University of Technology (QUT) in Brisbane / Australien hat nun zusammen mit Forschern der Carl Zeiss AG ein neues System zur effizienten und präzisen Herstellung gedruckter Mikro- und Nanostrukturen aus verschiedenen Materialien entwickelt. Sie bauten eine mikrofluidische Kammer für Flüssigkeiten auf engstem Raum direkt in ein 3D-Laser-Lithographiegerät ein.

In ihrer Veröffentlichung “Multimaterial 3D Laser Microprinting Using an Integrated Microfluidic System” in Science Advances berichten die Forscher, dass sie das integrierte System zur Erzeugung dreidimensionaler mikrostrukturierter Sicherheitsmerkmale aus sieben verschiedenen Flüssigkeiten verwendet haben: einem nicht fluoreszierenden Photoresist als Rückgrat und zwei Photoresists mit verschiedenen fluoreszierenden Quantenpunkten, zwei Photoresists mit verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffen und zwei Entwicklerflüssigkeiten. Solche Sicherheitsmerkmale können Banknoten, Dokumente und Markenprodukte gegen Fälschung schützen. Ein Sicherheitsmerkmal besteht aus einem dreidimensionalen Gitter, das von Stützmauern und fluoreszierenden Markierungen in verschiedenen Farben umgeben ist.

(A) Eine Objektivlinse mit Ölimmersionsmikroskop hoher NA fokussiert Femtosekundenlaserimpulse in eine Kammer, die mit zwei dünnen Glasfenstern (hellblau) verkleidet ist. Eine davon dient als Substrat für die Proben. Das Auswahlventil ermöglicht das Umschalten zwischen verschiedenen Photoresists (hier einem nichtfluoreszierenden und vier fluoreszierenden) und Lösungsmitteln (Aceton und mr-Dev 600), die in die mikrofluidische Kammer injiziert werden. Zur Verdeutlichung ist das Schema nicht maßstäblich. Eine maßstäbliche technische Zeichnung ist in Fig. 2B gezeigt. (B) Strukturformeln der Komponenten eines der fluoreszierenden Photoresists, die Atto-Farbstoffmoleküle enthalten.

Für ihr System verwendeten die Wissenschaftler ein von der Nanoscribe GmbH entwickeltes und kommerzialisiertes 3D-Laser-Lithographiegerät, eine Ausgründung des KIT, und bauten es in eine selbst entwickelte mikrofluidische Kammer ein. Es ist mit einem Deckglas von zehn Millimetern Durchmesser versehen, auf das die 3D-Strukturen gedruckt werden können. Die Kammer ist mit einer elektronischen Drucksteuerung, bis zu zehn Behältern für die verschiedenen Fotolacke und Entwickler sowie einem sternförmigen Auswahlventil verbunden. Das ausgewählte Fluid wird über ein Überdruckventil zu einem Probenhalter geleitet. Schließlich fließt es in einen Abfallbehälter.

“Alle Schritte zur Herstellung dreidimensionaler Mikro- und Nanostrukturen aus mehreren Materialien können in ein System integriert werden”, sagt Professor Martin Wegener, der die Arbeitsgruppe von APH leitet. “Dieses System ebnet den Weg zur Herstellung von Additiven aus mehreren Materialien im Mikro- und Nanobereich.”