Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 09.08.2016

3D-Laserlithografie verbessert Mikroskop-Komponente für die Untersuchung von Nanostrukturen in Biologie und Technik / Veröffentlichung im Fachmagazin Applied Physics Letters

Rasterkraftmikroskope machen die Nanostruktur von Oberflächen sichtbar. Ihre Sonden tasten das Untersuchungsmaterial dazu mit feinsten Messnadeln ab. Am KIT ist es nun gelungen, den Messnadeln eine maßgeschneiderte Form zu geben. So kann eine passende Messspitze für jede Messaufgabe hergestellt werden, etwa für verschiedenartige biologische Proben. Möglich macht dies die 3D-Laserlithografie, also ein 3D-Drucker für Strukturen in Nanometer-Größe. Die Fachpublikation Applied Physics Letters widmet diesem Erfolg nun ihre Titelseite. DOI: 10.1063/1.4960386

Mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie ist es möglich, Oberflächen bis in die atomare Ebene hinein zu analysieren. Die bislang dafür gebräuchlichen, in Standardgrößen erhältlichen Spitzen eignen sich jedoch nicht für jeden Einsatz. Manch ein Untersuchungsobjekt erfordert eine speziell gestaltete Form oder eine besonders lange Spitze, mit der sich starke Vertiefungen im Material abtasten lassen. Wissenschaftler am KIT zeigen jetzt, wie es möglich ist, optimal an spezielle Anforderungen angepasste Sondenspitzen einfach herzustellen.

„Biologische Oberflächen, zum Beispiel die Blütenblätter von Tulpen oder Rosen, haben häufig Strukturen, die sehr tief sind und hohe Hügelchen aufweisen“, sagt Privatdozent Hendrik Hölscher, der am Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT die Arbeitsgruppe Rastersonden-Technologien leitet. Die auf dem Markt erhältlichen Spitzen seien typischerweise 15 Mikrometer – 15 Tausendstel Millimeter – hoch, pyramidenförmig und relativ breit, so der Physiker. Anders geformte Spitzen sind zwar zu kaufen, jedoch aufwendig in Handarbeit hergestellt und teuer.

Mit Hilfe der 3D-Laserlithografie ist es den Karlsruher Forschern nun gelungen, maßgeschneiderte Spitzen in beliebiger Gestalt zu formen, die einen Radius von nur 25 Nanometer – 25 Millionstel Millimeter – haben. Das Verfahren, mit dem sich jede gewünschte Form mit dem Computer gestalten und anschließend im 3D-Druck herstellen lässt, ist im makroskopischen Bereich bereits einige Zeit bekannt, auf der Nanoskala ist dieser Ansatz anspruchsvoll. Um die jeweils gewünschten dreidimensionalen Strukturen zu erhalten, nutzen die Forscher das am KIT entwickelte und von dem Unternehmen Nanoscribe – einer Ausgründung des KIT – vermarktete Verfahren der 3D-Lithografie. Sie basiert auf der Zwei-Photonen-Polymerisation: Stark fokussierte Laserimpulse lassen lichtempfindliche Materialien in den gewünschten Strukturen aushärten, die anschließend aus dem umliegenden, nicht belichteten Material herausgelöst werden. „Die Methode bietet den Vorteil, dass sich für jede Probe, die man untersuchen möchte, die perfekte Spitze herstellen lässt“, erläutert Hölscher.

Über den Nutzen des Verfahrens für die Verbesserung der Rasterkraftmikroskopie berichten die Forscher unter dem Titel „Tailored probes for atomic force microscopy fabricated by two-photon polymerization“ in der Fachzeitschrift Applied Physics Letters. Die in beliebiger Form herstellbaren Spitzen lassen sich auf herkömmliche handelsübliche Messnadeln aufsetzen und zeigen einen geringen Verschleiß. Sie eignen sich hervorragend für die Untersuchung von biologischen Proben, aber auch von technischen und optischen Komponenten auf der Nanoebene.

Gefördert wurde die Forschung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, durch ein ERC Starting Grant und ein Senior Grant des Europäischen Forschungsrates, durch Mittel der Alfried Krupp von Bohlen und Halbach Stiftung sowie – innerhalb des Verbundprojekts PHOIBOS – durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung, außerdem wurde sie unterstützt durch die Hochtechnologieplattform „Karlsruhe Nano-Micro-Facility“ (KNMF) am KIT. (afr)

Publikation:
Gerald Göring, Philipp-Immanuel Dietrich, Matthias Blaicher, Swati Sharma, Jan G. Korvink, Thomas Schimmel, Christian Koos, and Hendrik Hölscher: Tailored probes for atomic force microscopy fabricated by two-photon polymerization. Applied Physics Letters. DOI: 10.1063/1.4960386

Externer Link: www.kit.edu

Medienmitteilung der Universität Basel vom 11.07.2016

Forschende der Universität Basel haben erstmals die Kernspins von weit entfernten Atomen mithilfe eines einzelnen Elektrons zur Kopplung gebracht. An dem sehr komplexen Experiment waren gleich drei Forschungsgruppen des Departements Physik beteiligt. Die Fachzeitschrift «Nature Nanotechnology» hat die Resultate veröffentlicht.

Bei den meisten Materialien beeinflussen sich die Kernspins von benachbarten Atomen nur sehr schwach, da die winzigen Kerne tief im Innern der Atome liegen. Anders sieht es bei Metallen aus, die frei bewegliche Elektronen aufweisen. Die Elektronenspins sind in der Lage, weit auseinanderliegende Kernspins miteinander zu koppeln. Diese nach vier Physikern benannte RKKY-Wechselwirkung wurde bereits in den 50er Jahren entdeckt.

Einzelner Elektronenspin verbindet Kernspins

Forscher am Departement für Physik der Universität Basel ist es nun zum ersten Mal gelungen, diesen Mechanismus im Experiment an einem einzigen Elektron zu demonstrieren und mit einer Quanten-Theorie zu beschreiben. Dazu hat das Team um Prof. Richard Warburton ein einzelnes Elektron in einen Quantenpunkt eingeschleust. Mithilfe einer in Basel entwickelten Methode zur Messung der Kernspinresonanz konnten sie zeigen, dass das Elektron Kernspins koppelte, die bis zu fünf Nanometer auseinanderlagen – eine riesige Distanz in der Welt der Kernspins. Relevant sind die Ergebnisse insbesondere für die Entwicklung von Spin-Qubits, die Elektronenspins als Informationsträger nutzen möchten, beschränkt doch die Wechselwirkung die Stabilität der Quanteninformation.

Eine geballte Ladung Physik

«Das ist wohl das komplizierteste Experiment, das unser Team je durchgeführt hat», sagt Prof. Richard Warburton, Leiter der Forschungsgruppe Nano-Photonics am Basler Departement für Physik. Zugleich zeigt er sich begeistert von der Kooperation unter drei Basler Forschungsgruppen, die dieses Experiment ermöglicht hat. «Es waren so viele verschiedene Aspekte zu beachten – eine Herausforderung, die wir nur dank der grossartigen Zusammenarbeit an unserem Departement meistern konnten.»

Die Forschungsgruppe von Prof. Martino Poggio stellte ihre Expertise im Bereich Kernspinresonanz zur Verfügung, während das Team um Prof. Daniel Loss in monatelanger Arbeit die Quanten-Theorie zum Experiment berechnete. Ebenfalls beteiligt war die Ruhr-Universität Bochum, welche die Halbleiter-Chips für das Experiment herstellte.

Das Projekt wurde gefördert vom Nationalen Forschungsschwerpunkt Quantum Science and Technology (NCCR QSIT), vom Schweizerischen Nationalfonds und vom Swiss Nanoscience Institute.

Originalbeitrag:
Gunter Wüst, Mathieu Munsch, Franziska Maier, Andreas V. Kuhlmann, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Daniel Loss, Martino Poggio, and Richard J. Warburton
Role of the electron spin in the nuclear spin coherence in a quantum dot
Nature Nanotechnology (2016), doi: 10.1038/nnano.2016.114

Externer Link: www.unibas.ch

Medienmitteilung der Universität Basel vom 06.04.2016

Forscher der Universität Basel sind gemeinsam mit der Empa der Entwicklung künstlicher Muskeln einen Schritt nähergekommen: Sie haben eine Methode entwickelt, um nanometerdünne Silikonschichten zu erzeugen.

Elastische Kunststoffe, die elektrische Energie in mechanische Arbeit umwandeln, haben zahlreiche Einsatzmöglichkeiten: sie reichen vom Antrieb von Scheibenwischern über Schallerzeugung bis hin zu Linsensystemen für Kameras. Der Kunststoff wird mit zwei Elektroden versehen, die ein elektrisches Feld erzeugen – stehen sie unter Spannung, dehnt sich das Material aus. In der Medizin ist es für die Entwicklung künstlicher Muskeln zur Inkontinenzbehandlung vorgesehen, wie das Konsortium jüngst beschrieben hat.

Um effektiv zu funktionieren, benötigen mikrometerdicke Silikonlagen eine Spannung von mehreren hundert Volt; für künstliche Muskeln im menschlichen Körper ist das deutlich zu hoch. Nanometer-dünne Schichten brauchen demgegenüber nur wenige Volt. Da die resultierende Kraft für diese Dünnfilme klein ist, muss man tausende Lagen übereinanderschichten, um eine genügend grosse Kraft zu erzeugen.

Beschichtung per Elektrospray

Mit den herkömmlichen Herstellungsmethoden lassen sich solche Sandwichstrukturen nicht fertigen. Das Team um Prof. Müller vom Biomaterials Science Center der Universität Basel hat nun gemeinsam mit der Empa ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, Silikonschichten anzufertigen, die deutlich dünner als ein Mikrometer und extrem flach sind. Die Rauheit ist kleiner als ein Nanometer. Dazu zerstäuben sie die Silikonmoleküle in Lösung mithilfe einer Hochspannung, der sogenannten Elektrospray-Technologie.

Normalerweise funktioniert der Elektrospray mit Gleichstrom. Für die Entwicklung künstlicher Muskeln experimentieren die Basler Wissenschaftler mit einer Wechselstrom-Methode. «Diese vergleichsweise simple und im Industrieumfeld geeignete Methode hat riesiges Potenzial für die Herstellung künstlicher Muskeln, wie man sie auch beispielsweise für den Antrieb von Scheibenwischern einsetzen könnte», so Bert Müller. Er hofft, die Technologie bald für ein Implantat zur Behandlung von Inkontinenz verwenden zu können.

Originalbeiträge:

Florian M. Weiss, Tino Töpper, Bekim Osmani, Sven Peters, Gabor Kovacs, and Bert Müller
Electrospraying Nanometer-Thin Elastomer Films for Low-Voltage Dielectric Actuators
Advanced Electronic Materials (2016), 1500476, doi: 10.1002/aelm.201500476

Florian M. Weiss, Tino Töpper, Bekim Osmani, Hans Deyhle, Gabor Kovacs, and Bert Müller
Thin Film Formation and Morphology of Electro-sprayed Polydimethylsiloxane
Langmuir (2016), doi: 10.1021/acs.langmuir.6b00476

Elisa Fattorini, Tobia Brusa, Christian, Gingert, Simone E. Hieber, Vanessa Leung, Bekim Osmani, Marco D. Dominietto, Philippe Büchler, Franc Hetzer, and Bert Müller
Artificial Muscle Devices: Innovations and Prospects for Fecal Incontinence Treatment
Annals of Biomedical Engineering (2016), doi: 10.1007/s10439-016-1572-z

Externer Link: www.unibas.ch

Medienmitteilung der Universität Basel vom 26.02.2016

Der modifizierte Kohlenstoff Graphen hat ein vielfältiges Potenzial als Beschichtung in Maschinenbauelementen und im Bereich von elektronischen Schaltern. Ein internationales Forschungsteam um Physiker der Universität Basel hat die Schmierfähigkeit des Materials auf der Nanometerskala untersucht. Da es beinahe keine Reibung verursacht, könnte es als Beschichtung den Energieverlust von Maschinen drastisch reduzieren, berichten die Forscher im Magazin «Science».

Graphen könnte künftig als extrem dünne Beschichtung verwendet werden, durch die der Energieverlust zwischen mechanischen Teilen gegen Null geht. Dies beruht auf der enorm hohen Schmierfähigkeit des veränderten Kohlenstoffs in Form von Graphen, der sogenannten Supraschmierfähigkeit. Mit der Anwendung dieser Eigenschaft auf mechanische und elektromechanische Geräte liesse sich nicht nur Energie sparen, sondern auch die Lebensdauer der Apparate erheblich verlängern.

Ursachen des Schmierverhaltens ergründen

Mit einem doppelten Ansatz – experimentell und rechnerisch – hat eine internationale Gruppe von Physikern der Universität Basel und der Empa die überdurchschnittliche Schmierfähigkeit von Graphen untersucht. Dazu fixierten sie zweidimensionale Streifen aus Kohlenstoffatomen, sogenannte Graphen-Nanobänder, an der Spitze eines Rasterkraftmikroskops und zogen sie über eine Goldoberfläche. Mit computergestützten Berechnungen wurden die Wechselwirkungen zwischen den sich gegeneinander bewegenden Oberflächen untersucht. Damit will das Team um Prof. Ernst Meyer der Universität Basel die bisher wenig erforschten Ursachen des Supraschmierverhaltens ergründen.

Von der Untersuchung der Graphen-Bänder erhoffen sich die Forscher nicht nur Erkenntnisse über das Gleitverhalten. Die Messung der mechanischen Eigenschaften des Kohlenstoffmaterials macht zusätzlich Sinn, da es grosses Potenzial für eine ganze Reihe an Anwendungen im Bereich von Beschichtungen und mikromechanischen Schaltern hat. Selbst elektronische Schalter könnten in Zukunft durch nanomechanische Schalter ersetzt werden, welche weniger Energie beim Ein- und Ausschalten brauchen würden als konventionelle Transistoren.

Die Versuche zeigten eine fast perfekte reibungsfreie Bewegung. Es können fünf bis 50 Nanometer lange Graphen-Bänder mit geringsten Kräften (zwei bis 200 Piconewton) bewegt werden.

Die Übereinstimmung zwischen Experiment und Computersimulation ist gross. Einzig bei grösseren Abständen zwischen der Messspitze und der Goldoberfläche (ab fünf Nanometern), ergibt sich eine Diskrepanz zwischen Modell und Realität. Wahrscheinlich hängt dies damit zusammen, dass die Ränder der Graphen-Nanobänder mit Wasserstoff gesättigt sind, was in den Simulationen nicht berücksichtigt wurde.

«Unsere Resultate helfen dabei, die Manipulation chemischer Stoffe auf Nano-Ebene besser zu verstehen und ebnen den Weg für die Verwirklichung von reibungsfreien Beschichtungen», schreiben die Forscher.

Originalbeitrag:
Shigeki Kawai, Andrea Benassi, Enrico Gnecco, Hajo Söde, Rémy Pawlak, Xinliang Feng, Klaus Müllen, Daniele Passerone, Carlo A. Pignedoli, Pascal Ruffieux, Roman Fasel and Ernst Meyer
Superlubricity of Graphene Nanoribbons on Gold Surfaces
Science (2016), doi: 10.1126/science.aad3569

Externer Link: www.unibas.ch

Medienmitteilung der ETH Zürich vom 04.11.2015

Materialien, die Wasser und Eis von selbst extrem stark abstossen, sind in der Luftfahrt und vielen anderen technischen Anwendungen begehrt. ETH-Forscher haben jetzt herausgefunden, wie man die starren Oberflächen solcher Materialien gezielt designen kann – indem sie Wassertröpfchen das Trampolinspringen beibrachten.

Wer in den nächsten Monaten mit dem Flugzeug reist, wird möglicherweise Zeuge eines winterlichen Luftfahrt-Rituals, bei dem die Tragflächen vor dem Start mit einer Spezialflüssigkeit von Eis und Schnee befreit werden. Das ist nötig, da kleinste Wassertröpfchen in der Luft bei bestimmten Wetterbedingungen zu Eis gefrieren können, wenn sie sich auf den Flugzeugflügeln niederlassen. Das wiederum kann zu einer Verwirbelung des Luftstroms beim Start und dadurch zu einem geringeren Auftrieb führen, was schnell gefährlich werden kann.

Noch besser als eine solche Enteisung wäre natürlich, wenn die Eistropfen erst gar nicht an den Tragflächen hafteten oder von diesen gar aktiv abgestossen würden. ETH-Forscher haben jetzt in einer im Wissenschaftsmagazin Nature veröffentlichten Studie gezeigt, dass es im Prinzip möglich ist, Materialien zu entwickeln, die gegen Eis und Wasser geradezu allergisch sind. Zunächst einmal brachten sie dazu kleinen Wassertröpfchen das Trampolinspringen bei.

Mysteriöse Kräfte

ETH-Professor Dimos Poulikakos und seine Mitarbeiter am Labor für Thermodynamik in neuen Technologien studierten das Verhalten von Wassertropfen auf Oberflächen, indem sie einen millimetergrossen Tropfen auf eine speziell bearbeitete starre Silizium-Oberfläche setzten und dann den Luftdruck in der Experimentierkammer stetig absenkten, während eine Hochgeschwindigkeitskamera den Tropfen filmte. Zunächst blieb der Tropfen still auf der Oberfläche liegen, doch bei etwa einem Zwanzigstel des normalen Atmosphärendrucks sprang er plötzlich hoch. Nach einem kurzen Hüpfer landete der Tropfen schliesslich wieder auf der Oberfläche und sprang erneut hoch – und zwar noch höher als beim ersten Mal. Wie ein Trampolinspringer, der mit jedem Sprung  vom elastischen Sprungtuch an Höhe gewinnt, wurde auch der Wassertropfen bei jedem Kontakt mit der Oberfläche immer höher geschleudert, obwohl diese absolut starr war. Was für den Laien nach Magie aussieht, erscheint dem Experten zunächst einmal als die vermeintliche Verletzung grundlegender physikalischer Gesetze, nach denen ein Körper, der auf eine starre Oberfläche trifft, eigentlich nicht spontan Bewegungsenergie gewinnen und damit höher zurückspringen kann. Genau dies aber scheint beim trampolinspringenden Wassertropfen zu geschehen.

Tropfen mit Raketenantrieb

Um zu verstehen, woher die Kraft kam, welche die Wassertröpfchen hochschleuderte, analysierte Poulikakos mit seinen Postdoktoranden Tom Schutzius und Stefan Jung bis ins Detail die Bewegungen des Tropfens sowie, mit einer Wärmebildkamera, die Temperaturverteilung in seinem Inneren. Die ETH-Wissenschaftler, die in den letzten Jahren bereits einigen Rätseln von Wassertropfen auf die Spur gekommen sind, fanden jetzt heraus, dass das Zusammenspiel der natürlichen Wasserverdampfung und der Mikrostruktur der Materialoberfläche für das Trampolin-Phänomen eine entscheidende Rolle spielt. Der Überdruck, der durch die Verdampfung zwischen Oberfläche und Tropfen entsteht, schleudert diesen wie eine Feder bei jedem Aufprall in die Höhe.

Beim Gefrieren eines weit unter null Grad gekühlten («supergekühlten») Wassertropfens wird der Verdampfungseffekt durch die so genannte Rekaleszenz weiter verstärkt. Dieser Effekt ist aus der Metallverarbeitung bekannt, etwa bei geschmiedetem Eisen, das sich während des Abkühlens kurzfristig noch einmal von selbst bis zur Rotglut erhitzt. Das liegt daran, dass das Innere des Eisens erstarrt und dabei latente Wärme freisetzt.

Ganz Ähnliches geschieht bei einem Wassertropfen: Ein Tropfen, der durch Verdunstung von Wasser an seiner Oberfläche unter den Gefrierpunkt abkühlt, bildet zunächst Eiskristalle. Die Wärme, die bei diesem Phasenübergang von flüssig zu fest abgegeben wird, heizt den Tropfen dann schnell auf null Grad auf. «Diese Erwärmung passiert in wenigen Millisekunden», erklärt Schutzius, «und führt im Anschluss daran zu einer explosiven Verdampfung.» Daraufhin kühlt der Tropfen erneut ab, und der Zyklus wiederholt sich. Die explosive Verdampfung führt zu einem noch grösseren Überdruck zwischen Tropfen und Oberfläche und lässt ihn dadurch wie eine Rakete abheben.

Intelligentes Oberflächendesign

Der eigentlich Clou des Ganzen liegt allerdings in der Oberfläche selbst: Zum einen muss sie rau sein, damit der Wassertropfen nicht an ihr hängen bleibt, zum anderen aber darf sie nicht zu rau sein, da sonst der Wasserdampf zu schnell durch die Poren und Ritzen der Oberfläche entweichen und der Raketeneffekt damit buchstäblich verpuffen würde. Die von den ETH-Forschern hergestellten mikrostrukturierten Silizium-Oberflächen erfüllen genau diese Bedingungen: Sie bestehen aus kleinen (nur wenige Mikrometer grossen) Säulen, die im Abstand von etwa fünf Mikrometern regelmässig angeordnet sind.

«Aus unseren Forschungsergebnissen können wir ableiten, wie Oberflächen generell beschaffen sein müssen, um Wasser und Eis energisch abzustossen, und sie dann entsprechend designen», sagt Poulikakos. In ihrem Experiment untersuchten die Forscher verschiedene Materialien, darunter oberflächenbehandeltes Aluminium und Kohlenstoff-Nanoröhren.

Um den Trampolin-Mechanismus noch praxistauglicher zu machen, müsste man freilich soweit kommen, dass er auch bei normalem Luftdruck funktioniert. Poulikakos und seine Mitarbeiter hoffen, in den nächsten Jahren Fortschritte in diese Richtung zu machen. Dann wären verschiedenste Anwendungen denkbar, die von eisfreien Hochspannungsleitungen bis hin zu wasser- und eisabweisenden Strassenbelägen reichen – und vielleicht eines Tages die Enteisung von Flugzeugflügeln überflüssig machen.

Literaturhinweis:
Schutzius TM, Jung S, Maitra T, Graeber G, Köhme M, Poulikakos D: Spontaneous droplet trampolining on rigid superhydrophobic surfaces, Nature, 4. November 2015, doi: 10.1038/nature15738

Externer Link: www.ethz.ch