Quarzglas zeichnet sich durch eine hohe chemische und mechanische Stabilität aus. Es wird deshalb als bevorzugtes Material in hochentwickelten technischen Anwendungen eingesetzt. Insbesondere für mikrooptische und biomedizinische Verfahren ist es von großem Interesse, Mikrostrukturen aus Quarzglas präzise herstellen zu können. Prof. Dr. Bastian Rapp, Dr. Dorothea Helmer und Dr. Frederik Kotz von der Universität Freiburg ist es erstmals gelungen, mittels der 3-D-Drucktechnologie der Zwei-Photonen-Polymerisation solche Mikrostrukturen mit einer geringen Oberflächenrauigkeit zu produzieren. Seine Ergebnisse hat das Team im Fachjournal Advanced Materials vorgestellt.
Die Zwei-Photonen-Polymerisation hat sich in den vergangenen Jahren bereits als Technik für den Druck von Kunststoff, Keramik oder Metall durchgesetzt. Das Freiburger Team nutzte das Verfahren, um Mikrostrukturen aus Glas mit einer Auflösung von einem Zehntel Mikrometer zu produzieren, die eine besonders geringe Oberflächenrauigkeit von 6 Nanometern aufweisen. Bisher verfügen gedruckte Glas-Mikrostrukturen über eine Rauigkeit zwischen 40 und 200 Nanometern. Um für optische Anwendungen in Frage zu kommen, müssen sie noch aufwendig nachbehandelt werden.
Als Material verwendeten Rapp und das Team das von ihnen entwickelte Glassomer®. Dabei handelt es sich um eine Mischung, in der hochreines Siliziumoxid als feines Pulver zu einem flüssigen Kunststoff hinzugerührt wird. Solange dieses Gemisch flüssig ist, lässt es sich wie ein Kunststoff prozessieren. Unter Lichteinwirkung härtet es dann aus, sodass es zum Beispiel gebohrt oder gefräst werden kann. Anschließend erfolgt eine Hochtemperaturbehandlung: Der Kunststoff verbrennt, und echtes Glas bleibt zurück.
„Diese Technologie erlaubt es erstmalig, hochreines optisches Glas mit einer der spannendsten 3D-Drucktechnologien zu verarbeiten. Damit werden bisher unerreichte Strukturdetails und komplexeste Geometrien zugänglich“, sagt Rapp.
Bastian Rapp ist Professor für Prozesstechnologie und Leiter des NeptunLabs am Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg, in dem Dorothea Helmer und Frederik Kotz als Postdoktoranden und Gruppenleiter tätig sind. Rapp und Helmer sind zudem Mitglieder des Exzellenzclusters livMatS.
Originalpublikation:
Kotz, F., Quick, A. S., Risch, P., Martin, T., Hoose, T., Thiel, M., Helmer, D., Rapp, B. E. (2021). Two‐Photon Polymerization of Nanocomposites for the Fabrication of Transparent Fused Silica Glass Microstructures. Advanced Materials. doi: 10.1002/adma.202006341