Der 3D-Druck – auch additive Fertigung genannt – hat sich als neues Herstellungsverfahren für verschiedenste Bauteile etabliert. Dem Chemiker Dr. Dmitry Momotenko von der Universität Oldenburg ist es nun zusammen mit Partnern gelungen, mit einer neuen 3D-Drucktechnik extrem kleine Metallobjekte zu erzeugen. Mögliche Anwendungen könnten in der Mikroelektronik, der Sensorik oder der Batterietechnik liegen.
Galvanik schafft die Möglichkeit, winzige Metallstrukturen im 3D-Druck entstehen zu lassen
Das Druckverfahren beruht auf dem vergleichsweise einfachen und bekannten Prozess der Galvanik. Dabei befinden sich positiv geladene Metallionen in einer Lösung. Wenn die Flüssigkeit in Kontakt mit einer negativ geladenen Elektrode kommt, verbinden sich die Metallionen mit den dort vorhandenen Elektronen zu einem neutralen Metallatom. Dieses setzt sich auf der Elektrode ab. So bildet sich nach und nach eine feste Metallschicht.
„Bei diesem Verfahren wird aus einer flüssigen Salzlösung ein festes Metall hergestellt – ein Prozess, den wir Elektrochemiker sehr gut kontrollieren können“, sagt Momotenko. Er arbeitet mit einem Team aus Forscherinnen und Forschern der ETH Zürich (Schweiz) und der Nanyang Technological University in Singapur zusammen. Mit dem elektrochemischen Verfahren, das die Partner entwickelt haben, lassen sich Objekte aus Kupfer mit einem Durchmesser von 25 nm herstellen. Das entspricht 195 Kupferatomen in einer Reihe. Damit erlaubt es das neue elektrochemische Verfahren, deutlich kleinere Metallobjekte zu drucken als dies bislang möglich war. Ein menschliches Haar beispielsweise ist etwa 3000-mal so dick wie diese filigranen Nanodrucke.
Nanodruckverfahren nutzt Kupferionen
Für das Nanodruckverfahren verwendet Momotenko eine Lösung mit positiv geladenen Kupferionen, die sich in einer winzigen Pipette befinden. Die Flüssigkeit tritt am Ende der Pipette tropfenweise durch eine Druckdüse aus. In den Experimenten des Teams hatte diese Öffnung einen Durchmesser zwischen 253 und 1,6 nm. Ein derart winziges Loch können gleichzeitig nur zwei Kupferionen passieren.
Die größte Herausforderung bestand darin, dass die wachsende Metallschicht die Öffnung der Druckdüse sehr schnell verstopfen kann. Das Team entwickelte daher eine Technik, um den Druckfortschritt zu überwachen. Die Forscher registrierten dafür den elektrischen Strom zwischen der negativen Elektrode und einer positiven Elektrode innerhalb der Pipette und stimmten die Bewegung der Düse automatisch darauf ab. Die Düse näherte sich der Elektrode immer nur für kurze Zeit und zog sich zurück, sobald die Metallschicht eine bestimmte Dicke überschritten hatte.
3D-Druck: Schicht für Schicht zu Säulen und Spiralen aus Metall
So brachten die Forschenden nach und nach immer neue Kupferschichten auf der Elektrodenoberfläche auf. Durch eine präzise Positionierung der Düse gelang es ihnen, sowohl senkrechte Säulen als auch geneigte oder spiralförmige Gebilde zu drucken. Selbst waagerechte Strukturen konnten die Chemikerinnen und Chemiker herstellen, indem sie die Druckrichtung änderten. Auch der Durchmesser der Gebilde ließ sich steuern – zum einen durch die Größe der Druckdüsen, zum anderen sogar während des Druckvorgangs anhand elektrochemischer Parameter.
Zum Vergleich: Durch Verarbeitung von Metallpulvern – ein typisches Verfahren zum 3D-Druck von Metallen – lässt sich derzeit eine Auflösung von etwa 100 µm erreichen. Die kleinsten, auf diesem Weg herstellbaren Objekte sind also 4000-mal so groß wie die des Teams.
Kombination aus 3D-Druck und nanoskaliger Präzision
Zwar lassen sich mit anderen Verfahren noch kleinere Strukturen herstellen, doch die Auswahl möglicher Materialien ist dabei begrenzt. „Die Technologie, an der wir arbeiten, kombiniert beide Welten – Metalldruck und nanoskalige Präzision“, sagt Momotenko. Ähnlich wie der 3D-Druck eine Revolution bei der Produktion komplexer größerer Bauteile ausgelöst habe, könnte es die additive Fertigung auf der Mikro- und Nanoskala ermöglichen, völlig neuartige Objekte in sehr kleinen Dimensionen herzustellen.
„Mit 3D-Druck bearbeitete Grenzflächen könnten beispielsweise als Katalysatoren zur Herstellung komplexer Chemikalien genutzt werden“, sagt Momotenko. Dreidimensional strukturierte Elektroden könnten auch dazu beitragen, elektrische Energie effizienter zu speichern. An dieser Aufgabe arbeiten der Chemiker und sein Team derzeit.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. Dmitry Momotenko
E-Mail: dmitry.momotenko@uol.de
https://uol.de/momotenko
