Filigrane 3D-Strukturen falten sich wie von selbst

In Knochen, DNA-Strängen oder Netzwerken aus Nervenzellen beherrscht die Natur den dreidimensionalen Aufbau von filigranen Strukturen perfekt. Dagegen steht die Entwicklung räumlicher Mikrostrukturen für zukünftige Computerchips, optoelektronische oder biomedizinische Bauteile noch am Anfang. Doch nun fand eine amerikanisch-chinesische Forschergruppe einen eleganten Weg, um mit Spiralen, Blüten oder Körben mehr als 40 verschiedene 3D-Mikrostrukturen aus flachen Metall- oder Silizium-Bändern schnell zu produzieren. Über ihre Methode berichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Science“.

„Zuerst deponierten wir eine zweidimensionale Struktur auf einer gedehnten, flexiblen Unterlage“, sagt Yonggang Huang von der Northwestern University in Evanston. Wurde die Unterlage dann entspannt, falteten sich bis zu zwei Mikrometer dünne Bänder selbstständig zu mikrostrukturierten, dreidimensionalen Objekten. Diese Methode funktionierte für Metalle wie Nickel, den Halbleiter Silizium und auch für Hybridwerkstoffe aus Gold und Epoxidharzen.

Siliziumbänder entfalten sich zu einer dreidimensionalen Struktur

Als dehnbare Unterlage verwendeten Huang und Kollegen ein Silikongummi, das sich leicht auf doppelte Länge strecken ließ. Auf diesen Gummiträger setzten sie die flachen Bänder, die über lithografische Verfahren zu Schlangenlinien, Kreuzen oder Sternen geformt werden konnten. An zuvor ausgewählten Punkten ließen sich über eine chemische Reaktion mit Ozon gezielt Hydroxyl-Gruppen erzeugen. Genau an diesen Stellen bildeten sich relativ feste, kovalente Bindungen zwischen Unterlage und den aufgelegten Mikrobändern. An allen anderen Positionen dagegen herrschten schwächere van-der Waals-Bindungen vor. Entspannte sich nun das gedehnte Silikongummi, hielten die kovalenten Bildungen die Struktur fest und die van-der-Waals-Bindungen lösten sich. Das zuvor flache Band wurde so zur Bildung der dreidimensionalen Struktur gezwungen.

Um die Vielfalt der möglichen, dreidimensionalen Körper zu demonstrieren, berechneten die Wissenschaftler zahlreiche 2D-Vorläuferstrukturen mit variablen Haltepunkten über die kovalenten Bindungen. „Wir wissen, wie eine 2D-Struktur aussehen muss, um zu eine gewünschte dreidimensionale Form zu erhalten“, sagt Co-Autor Yihui Zhang. Aus Schlangenlinien entstanden so Blüten- oder Spiralstrukturen, aus Sternen und Kreuzen dagegen zelt- oder korbförmige Objekte. Noch komplexere Formen sind besonders durch die Kombination verschiedener Materialien möglich. Je nach Anwendung – etwa als Gerüst für dreidimensionale Schaltkreise, optische Module oder Elektroden in leistungsfähigen Akkus – können die Formen individuell angepasst werden.

Mikrostrukturierte Körper lassen sich bisher auch durch selbstorganisierende Prozesse fertigen. Doch die Vielfalt an Formen, die die neue Methode nun bietet, ist damit nicht erreichbar. Alternativ lassen sich mit 3D-Druckverfahren beliebige Körper Schicht für Schicht bauen. Aber die Kontrolle im Mikro- und Nanometerbereich ist ebenso wie die Kombination verschiedener Materialien noch immer eine große Herausforderung. Auch das elegante Auffalten zweidimensionaler Strukturen muss vor einer technischen Anwendung noch weiter optimiert werden. So ist noch nicht geklärt, wie stabil die 3D-Körper bleiben, wenn sie von der Silikon-Unterlage abgelöst werden.