Materiaalwetenschappers van de TU Darmstadt printen nanopatronen in metalen, een technologie die metalen oppervlakken permanente functionaliteit kan geven, zoals een lotuseffect of verminderde wrijvingseigenschappen.

Een bakker die gespecialiseerd is in de gekruide Spekulatius-koekjes die rond Kerstmis in Duitsland worden gegeten en Paul Braun, een promovendus bij de vakgroep Fysische Metallurgie van de afdeling Materialen en Aardwetenschappen van de TU Darmstadt hebben één ding gemeen:ze besteden allebei een deel van hun tijd aan het inprenten van ontwerpen in materialen - die in koekjesdeeg; de andere in metaal. Echter, terwijl de dieren, figuren, en windmolens die typisch in de kerstkoekjes zijn gestempeld, zijn gemakkelijk te herkennen, De afdrukken van Braun zijn te klein om met het blote oog onzichtbaar te zijn. Ze worden in het metaal gevormd met behulp van een kleine stempel gemaakt van diamant die niet groter is dan de punt van een naald. "Diamond is perfect voor de taak", Braun legt uit, "Omdat het een extreem hard materiaal is dat vrijwel ongevoelig is voor slijtage."

Om te kunnen worden gebruikt voor reliëfdruk, de diamant wordt in een speciaal apparaat geklemd, een zogenaamde nano-indenter. Werkelijk, de materiaalwetenschappers van de TU Darmstadt gebruiken de nano-indenter meestal voor heel andere doeleinden, zoals het testen van de hardheid, breukgedrag, en andere eigenschappen van verschillende materialen. Deze tests omvatten allemaal het gebruik van een diamanten stylus die in het te testen materiaal wordt gedrukt, waarbij een kracht wordt uitgeoefend en de indrukdiepte wordt gemeten op nanoschaal. In aanvulling, het apparaat kan worden gebruikt in combinatie met een scanning elektronenmicroscoop (SEM) om het barsten van dunne coatings tijdens het indrukproces te bestuderen. Brauns promotor dr. Karsten Durst, Hoogleraar Fysische Metallurgie aan de TU Darmstadt, legt uit:"De diamantpunt wordt tijdens dergelijke tests minder dan 100 nanometer in het monster gedrukt, zodat de nano-indenter kan worden gebruikt om ragfijne lagen te onderzoeken."

Hij is al jaren de drijvende kracht achter de ontwikkeling van deze methode voor het testen van materialen en gebruikt deze nu om nieuwe problemen aan te pakken. Hij is van plan het nu te gebruiken voor het afdrukken op nanoschaal van metalen oppervlakken. Deze technologie, die experts nano-imprinting noemen, wordt al gebruikt in combinatie met polymeren, bijvoorbeeld bij de vervaardiging van plastic chips die microscopisch kleine kanalen en andere structuren bevatten. Het reliëf of het opdrukken van metaal is in principe ook niet nieuw, maar het is tot nu toe alleen op veel grotere schaal gebruikt voor zaken als het slaan van munten. Volgens Durst:"We staan ​​aan het begin van de nano-imprinting van metalen oppervlakken, en kijken nog steeds naar de basisprincipes van deze technologie".

Harde en fijn gestructureerde stempels

De eerste stap is de ontwikkeling van geschikte harde en fijn gestructureerde stempels. Promovendus Braun is er al in geslaagd om er een aantal te maken door de diamantpunten van een nano-indenter te hergebruiken, met het oog daarop reisde hij naar Brno in Tsjechië voor een ontmoeting met de microscoopfabrikant Tescan, die een speciale ionenstraaltechnologie hebben ontwikkeld. Dit wordt meestal gebruikt voor de voorbereiding van monsters voor onderzoek door elektronenmicroscopie. Braun, anderzijds, gebruikte de gefocusseerde ionenstraal om de bovenkant van de diamantsonde af te snijden, om een ​​pilaar uit de overblijfselen van de diamant te snijden, en om het gewenste patroon in zijn bovenoppervlak te frezen. Na het laatste ionenstraalpolijsten, de stempel was klaar voor gebruik.

De volgende vraag is:welke eigenschappen moet een stuk metaal hebben om precies de gewenste oppervlaktestructuur te vormen. Zoals elke Spekulatius-bakker weet, het succes van het koekje hangt af van de consistentie van het deeg. Hetzelfde geldt, in principe, tot het nano-imprintproces:de microstructuur van het metaal moet precies goed zijn om ervoor te zorgen dat het goed in de mal "vloeit". De wetenschappers in Darmstadt willen structuren van slechts 50 nanometer kunnen afdrukken - dat is ongeveer 1500 keer dunner dan een mensenhaar! Het probleem:elk metaal of elke legering bestaat uit een groot aantal kleine, dicht opeengepakte granen. Voor de meeste conventionele metalen en legeringen is de diameter van deze korrels ruim boven de 1000 nanometer. Dit betekent, echter, dat conventionele metalen met korrelgrootte weerstand zullen bieden aan het persen in de vorm van de stempel vanwege hun grote korrelgrootte. Daarom doen Durst en zijn collega's onderzoek naar de productie van fijnkorreligere metalen, die perfect past binnen de holle ruimtes van de postzegels.