Lasertechnik: Winzige Bauteile aus Polymeren herstellen und zusammenfügen

Interview mit Prof. Cemal Esen, Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik, Fakultät für Maschinenbau, Ruhr-Universität Bochum

Zehn Mikrometer große Bauteile wie Legosteine ohne Berührung zusammensetzen? Dies schafft das Team um Prof. Esen der Uni Bochum mittels der Kombination dreier Lasertechniken. So sollen sich in naher Zukunft Mikroroboter entwickeln lassen, die im menschlichen Körper Analysen durchführen und wichtige Informationen senden können.

01/05/2016

Foto: Cemal Esen

Prof. Cemal Esen; © RUB, Damian Gorczany

Herr Prof. Esen, Sie und Ihr Team entwickeln winzige Bauteile, die mittels Laserstrahlen zu größeren Strukturen zusammengefügt werden können. Wofür sind diese Bauteile in der Anwendung gedacht?

Prof. Esen: Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten in der Anwendung. Derzeit beschäftigen wir uns mit dem Bereich der Mikrofluidik. Es können zum Beispiel Ventile gebaut werden, womit sich Fluidströme steuern lassen. Mittels Mikroturbinen wäre es auch möglich Flüssigkeiten zu bewegen. So kann gemessen werden, wie viel Flüssigkeit sich bewegt. Vergleichbar ist dies mit einem herkömmlichen Wasserzähler in jedem Haushalt. Ein Rad misst durch die Bewegung ebenfalls den Verbrauch. Und dieses Verfahren können wir bei sehr geringen Flüssigkeitsmengen nachempfinden.

Welche Materialien werden verwendet?

Esen: Bisher arbeiten wir hauptsächlich mit Polymeren. Ebenfalls möglich wäre die Zugabe von Nanopartikeln zu den Polymeren, so lassen sich zum Beispiel die magnetischen Eigenschaften verändern. Mit der Zugabe von zum Beispiel Silber oder Gold kann man die elektrischen Eigenschaften beeinflussen. Es gibt viel Spielraum für unterschiedliche Versuche.

Wie erzeugen Sie diese Bausteine?

Esen: Das Verfahren nennt sich Zwei-Photonen-Polymerisation. Hierfür nehmen wir einen Tropfen eines Polymers, dies kann man mit einem Flüssigkleber oder einer Zahnfüllung vergleichen. Beides ist im Normalzustand flüssig und härtet aus. Das Polymer wird mit einem Laser bestrahlt, in unserem speziellen Fall ein Ultra-Kurzpuls-Laser. Der Prozess findet nur in einem kleinen Bereich des Strahlfokus statt. Somit härtet das Polymer nur an der Stelle aus, wo sich der Strahl gerade befindet. Durch scannen einer Schicht entsteht eine zweidimensionale Struktur. In der dritten Dimension führen wir dann den Strahl nach oben, sodass die dreidimensionale Struktur generiert werden kann. Anschließend werden die Bausteine „ausgewaschen“ und alles, was nicht belichtet wurde, wird weggespült. Die belichteten Teile verbleiben als feste Struktur. Außerdem können wir mehrere Strahlen parallel nutzen, sodass mehrere gleiche Bauteile entstehen.

Wie groß sind die Bauteile?

Esen: Der Bereich des Strahls, welcher diese Bauteile fertigt, ist etwa 200 Nanometer groß. Die fertigen Strukturen, die wir derzeit bauen, umfassen etwa 10 Mikrometer oder weniger. Natürlich gibt es Luft nach oben und größere Strukturen können hergestellt werden. Wir befassen uns aber explizit mit den kleinsten Teilchen.

Der Prozess an sich kann von einigen Minuten bis hin zu mehreren Stunden dauern. Da wir aber mit mehreren Laserstrahlen parallel arbeiten, lassen sich auch mehrere Bauteile gleichzeitig herstellen.

Foto: Optische Pinzette © RUB, Damian Gorczany
Foto: Tropfen und Pipette
Foto: Cemal Esen, Sarah Ksouri und Jannis Köhler schauen auf Computerbildschirm © RUB, Damian Gorczany
Foto: Sarah Ksouri und Jannis Köhler arbeiten zusammen © RUB, Damian Gorczany
Foto: Jannis Köhler © RUB, Damian Gorczany
Foto: Drehbare Struktur © RUB, Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik

Für das Zusammenfügen verwenden Sie die sogenannte optische Pinzette. Wie funktioniert sie?

Esen: Da die vorhandenen Strukturen so klein sind, kann man nicht mehr die klassischen Verbindungstechniken nutzen. Bei der optischen Pinzette hat man einen Laserstrahl, welcher durch ein 100-fach Mikroskop-Objektiv geschickt und stark fokussiert wird. Wenn man zum Beispiel runde transparente Partikel verwendet, wird das Licht reflektiert und gebrochen. Dadurch entsteht eine Richtungsänderung des Strahles. Diese sorgt dafür, dass Kräfte auf das Objekt, das man bestrahlt, übertragen werden. Wenn man den Strahl nun bewegt, nimmt man quasi die Mikrostruktur mit, sodass man das Ganze dreidimensional bewegen kann. Wie auch bei der Polymerisation lassen sich parallel mehrere dieser Strahlen bewegen. Mit einem computergesteuerten Modulator kann man Partikelpositionen beliebig vorgeben und die Teilchen relativ zueinander bewegen oder verbinden.

Foto: Aufnahme von Verbindungsstücken

Sarah Ksouri arbeitet mit Verbindungstechniken, mit denen man Bausteine zu größeren Strukturen zusammensetzen kann. Die mikroskopisch kleinen Puzzleteile halten nur aufgrund ihrer komplementären Form zusammen; © RUB, Lehrstuhl für Laseranwendungstechnik

Die Zwei-Photonen-Polymerisation und die optische Pinzette sollen mit der Nano-Dotierung kombiniert werden. Woraus besteht letzteres Verfahren?

Esen: Bei der Nano-Dotierung gibt man dem Polymer noch etwas hinzu, zum Beispiel Nanopartikel für die magnetischen oder elektrischen Eigenschaften. Wir haben auch Titandioxidnanopartikel genutzt. Diese Teilchen findet man in allem, was eine weiße Farbe hat – zum Beispiel in Zahnpasta oder Farbe. Wenn man sie an verschiedenen Stellen in unterschiedlicher Dosierung hinzufügt, kann man den Brechungsindex ändern. So lassen sich mikrooptische Bauteile generieren. Diese können als Linsen oder Strahlteiler dienen.

Welche Möglichkeiten erhoffen Sie sich aus der Kombination dreier Verfahren?

Esen: Wir sind weltweit eines von wenigen Laboren, die alle drei Techniken gleichzeitig nutzen können. Es ist uns möglich, beliebige Strukturen zu generieren und zusammenzufügen. Das funktioniert mit den einzelnen Verfahren nicht. Das Feld an Möglichkeiten ist sehr groß. Wir arbeiten aktuell daran, dass wir alle drei Verfahren in einem kleineren kompakteren Gerät zu vereinen, um hiermit auch den industriellen Sektor im Bereich der Mikrotechnik gezielt anzusprechen.

Wo könnten Sie im Bereich der Medizintechnik Anwendung finden?

Esen: Möglich wäre der Bau eines Mikroroboters, welcher dem Körper des Menschen zugeführt und von außen gesteuert wird. Der Roboter sendet ständig Signale und Informationen an behandelnde Ärzte und kann vor Ort eine Analyse durchführen. Auch im Bereich der Mikofluidik wäre die Anwendung denkbar. Zum Beispiel, wenn man geringe Mengen an Flüssigkeit einem Patienten entnehmen, analysieren und später wieder zuführen möchte.

Foto: Lorraine Dindas

© B. Frommann

Das Interview führte Lorraine Dindas.
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