Auf dem Monitor entsteht eine Linie, die innert Sekunden länger wird. Sie biegt im rechten Winkel ab, wechselt mehrmals die Richtung, kreuzt sich ein paar Mal, bis ein Gewirr von Linien entsteht. Dann wächst die Linie langsamer, erscheint dabei dunkler, bleibt stehen und verdunkelt sich weiter in einem Punkt konstanter Grösse. Dann geht es weiter: Strich, noch ein Punkt, Strich, Punkt, Strich, Punkt.

Was sich ein wenig anhört wie das Morsealphabet, ist eine Demonstration einer neuen Technik, die ETH-Forscher am Labor für Thermodynamik in neuen Technologien entwickelt haben. Mit dieser Methode können sie kleinste Strukturen im Mikro- und Nanobereich drucken.

Bei diesem Druckverfahren werden feinste Partikel aus einer Kapillare mittels eines elektrischen Feldes gezielt auf eine Oberfläche übertragen. Je nachdem, wie lange an derselben Stelle Material angelagert wird, wächst die Struktur in die Höhe, sodass Nano-Türmchen entstehen. Lässt Doktorand Patrick Galliker, der an der Entwicklung des Druckers massgeblichen Anteil hatte, diese sehr hoch werden, fallen sie aufgrund ihrer Nähe zur Kapillare gut sichtbar um. Bei der Vorführung benutzt Galliker eine Steuerung, wie sie für Computerspiele verwendet wird. Programmieren die Forscher den Nano-Drucker mit einer Spezialsoftware, kann dieser die Türmchen selbstständig, gleichmässig und völlig ohne Verbindungslinien produzieren. Auch leicht verbogene Türmchen können sie herstellen oder jeweils zwei der Türmchen gegeneinander lehnen, sodass eine Art von winzigen Torbögen entsteht, erklärt Galliker anhand von Fotos, die er von den Strukturen gemacht hat.

Gedruckt wird mit Nano-Partikeln verschiedenster Materialien, die in Lösungsmittel eingebracht sind. Die Nano-Partikel lagern sich beim Drucken nach physikalischen Gesetzen aneinander an. Das Lösungsmittel verdampft - fertig sind die Nano-Strukturen, die kleiner als 100 Nanometer sein können.

Mit Nano-Strukturen Licht manipulieren

Die ETH-Forscher sehen für ihre neue Methode vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Sie ist wie gemacht für Anwendungen in der Optik, erklären sie. Denn Licht interagiert mit Nano-Strukturen anders als mit grösseren Dingen. Oberflächen, die mit Nano-Strukturen versehen werden, «manipulieren das Licht», umschreibt Galliker den Sachverhalt. Zum Beispiel können diese Oberflächen absorbieren, konzentrieren und Licht leiten, anstatt es zu reflektieren. Dabei nehmen die Kleinststrukturen, die wie Mini-Antennen wirken, das Licht auf. Dieses gerät dabei in eine Art Falle und wird im Idealfall anschliessend dorthin geleitet, wo es gebraucht wird.

Dies könnte man zum Beispiel dazu verwenden, die Effizienz von Dünnfilm-Solarzellen zu steigern, indem das Licht eingefangen und direkt zur aktiven Schicht geführt wird. Bisher nutzen solche Solarzellen nämlich nicht alles Licht aus, da sie einen Teil davon reflektieren und einen anderen ungenutzt durchlassen. Auch Tarnanzüge mit solchen Oberflächen wären denkbar, erklärt Dimos Poulikakos, Professor für Thermodynamik und Leiter der Forschungsgruppe.

Mithilfe solcher Nanostrukturen wären zudem neuartige Detektoren und Sensoren realisierbar, die schneller, selektiver und hochsensibel wären. Man könnte die Nano-Strukturen auch in speziellen Lichtmikroskopen verwenden, in denen Nano-Teilchen Fluoreszenz verstärken, wodurch kleinste Objekte wie einzelne Moleküle beobachtet werden können, führt Poulikakos weiter aus. Und natürlich könnte der Nano-Drucker überall dort zum Einsatz kommen, wo gezielt Material in Nano-Grössenordnung aufgebracht werden muss, etwa bei der Herstellung moderner Mikroprozessoren: Man stelle sich eine CPU vor, kurzerhand gedruckt!

Robuste und günstige Methode

Mit dem neuen Druckverfahren können die winzigen Strukturen besonders schnell und einfach auf verschiedenen Oberflächen aufgetragen werden. Schnell geht es, weil der Drucker so programmiert werden kann, dass genau dort Material aufgetragen wird, wo es gebraucht wird. Das Entfernen von Überständen, wie das bei anderen Methoden im Mikro- und Nanobereich nötig ist, entfällt. Das spart auch Material.

Dazu kommt, dass die neue Technik - verglichen mit etablierten Verfahren, die im Nano-Bereich Ähnliches leisten - deutlich weniger aufwendig ist. Sie braucht weder riesige Anlagen noch hochreine Reinräume, besonders hohe Temperaturen oder spezielle Druckverhältnisse. So kommt sie beispielsweise vollständig ohne das sonst notwendige umständliche und zeitraubende Vakuumieren aus.

Dadurch liesse sich bei industrieller Produktion vor allem der Durchsatz beträchtlich steigern und die Grösse der bedruckten Oberflächen um ein Vielfaches erhöhen, sagt Poulikakos. Auch Einzelanfertigungen sind problemlos möglich. All das wird die Methode in der Anwendung vor allem wesentlich günstiger machen als bereits verfügbare Alternativen.

Spin-off in Aussicht

Den Forschern steht noch einige Arbeit bevor. Sie möchten in Zukunft zum Beispiel aus mehreren, individuell ansteuerbaren Kapillaren drucken können. Dadurch wollen sie einerseits den Durchsatz steigern. Andererseits wird es so möglich, Schichten verschiedener Materialien gleich nacheinander aufzutragen, etwa dann, wenn Schichten aus unterschiedlichen Stoffen direkt übereinander benötigt werden.

Die Aussichten für das neue Verfahren schätzen die Forscher als vielversprechend ein. Ein Patent ist bereits eingereicht. Die ersten Interessenten aus der Industrie haben sich schon gemeldet. Selbst die Gründung eines Spin-offs ist geplant. Und bereits heute bearbeiten die ETH-Forscher Aufträge anderer Wissenschaftler, die für ihre Projekte Nano-Strukturen benötigen, die sie selbst nur mit grossem Aufwand herstellen oder beschaffen könnten.

Literaturhinweis

Galliker P et al. Direct Printing of Nanostructures by Electrostatic Autofocusing of Ink Nanodroplets. Nature Communications, Published online, 12^th June 2012. DOI: 10.1038/ncomms1891