Nanotechnologie: Forschen, entwickeln und nutzbar machen

Die Nanowissenschaft gilt als Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Damit sie ihr Potenzial voll entfalten kann, muss sie jedoch zunächst in Nanotechnologie umgewandelt werden. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) spielt auf diesem Weg eine entscheidende Rolle: Im Exzellenzcluster „3D Designer Materialien“ werden Visionen von skalierbaren, digitalen 3D-additiven Fertigungstechniken Realität. Ziel der Wissenschaftler:innen am KIT ist es, dafür neuartige Werkzeuge und Prozesse zu erforschen, zu entwickeln sowie Prozessgeschwindigkeit und Auflösung zu optimieren.

Am Nanostructure Service Laboratory (NSL) werden vor allem Kleinstanordnungen im Mikrometer- oder Submikrometerbereich untersucht. „Unsere Studierenden und Doktoranden produzieren in ihren Forschungsarbeiten 3D-Aufbauten aus verschiedenen Polymeren per 3D-Druck. Dabei untersuchen sie deren Oberflächen in Bezug auf Rauheiten und andere Merkmale“, erklärt Professor Dr. Gernot Goll, Leiter des NSL. „Damit betreiben wir Grundlagenforschung für 3D-optische Bauelemente, molekular funktionalisierbare 3D-Gerüststrukturen und viele weitere Anwendungsbereiche.“

Die richtigen Werkzeuge zur Verfügung stellen
Das Karlsruher Institute of Technology (KIT), zudem das NSL zählt, ist Teil der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder im deutschen Hochschulwesen. Es beherbergt eine umfassende technologische Infrastruktur für die Herstellung und Analyse von Nanostrukturen. Auf diese Weise unterstützt es die Forschenden mit einem vielfältigen Kompetenzportfolio aus ganz unterschiedlichen Bereichen – etwa in den oben erwähnten 3D-additiven Fertigungstechniken oder aber im Bereich der Quanteninformationstechnologien, wo die Entwicklung von Qubits, den elementaren Einheiten eines Quantencomputers, intensiv vorangetrieben wird. Forschende haben hier Zugang zu hochmodernen Geräten, mit denen sich Produktionsmethoden entwickeln und optimieren lassen. Dazu gehören beispielsweise Elektronenstrahl-Lithographen, Rasterelektronenmikroskope oder hochauflösende 3D-Drucker.

Flächenhafte 3D-Messung mit dem MarSurf CM explorer
Einer der jüngsten Neuzugänge im NSL ist das MarSurf CM explorer, das seit Ende 2020 das Spektrum an Messtechnik im „Carl Zeiss Foundation 3D Additive Manufacturing User Lab“ erweitert, das dem NSL angegliedert ist. Mit diesem hochauflösenden Konfokalmikroskop von Mahr lassen sich Oberflächen dreidimensional messen und analysieren – berührungsfrei, materialunabhängig und schnell. Das Messgerätliefert 3D-Messwerte in nur wenigen Funktionsschritten.

„Andere Arbeitsgruppen hatten uns das CM explorer vielfach empfohlen“, erklärt Goll. Daraufhin habe man Hersteller Mahr kontaktiert und sich das Gerät bei einem Vor-Ort-Termin vorführen lassen. Christopher Wallmann, Field Sales Engineer bei Mahr, erklärte den Karlsruher Forschenden das Konfokalmikroskop mit seinen vielfältigen Funktionen. Dabei habe das Gerät vor allem durch die vielen Auswertemöglichkeiten zur Analyse überzeugt, so Goll.

Richtig und reproduzierbar messen
Die Studierenden und Promovierenden erhalten zunächst eine Einweisung am Gerät, um es anschließend selbstständig zu nutzen. Wie Goll betont, erfüllt das MarSurf CM explorer ganz klar die Anforderungen, die sich das Labor gestellt hatte: Mit dem Konfokalmikroskop gelingen materialunabhängige Messungen beliebiger Geometrien und Oberflächenbeschaffenheiten, egal ob spiegelnd, absorbierend, opak oder transparent. „Das MarSurf CM explorer steht für eine hohe Messgeschwindigkeit und verfügt über eine HDR-Funktion von 16 Bit sowie über eine HD-Stitching-Funktion, also für eine konstant hohe Auflösung auch bei großen Messflächen“, erklärt Wallmann.

In Karlsruhe schreiten Forschung und Realisierung funktioneller Nanostrukturen indes vielversprechend voran. Mit dem State-of-the-Art-Equipment könnte es dem KIT gar gelingen, das Oberrheintal rund um Karlsruhe zum international renommierten „Nano Valley“ in Analogie zum Silicon Valley zu machen. Das ist zumindest das erklärte Ziel, das man sich am KIT im Rahmen der Exzellenzinitiative gesetzt hat.

Typische Messaufgaben des MarSurf CM explorer:

• Rauheitsmessungen nach ISO 4287 & ISO 13565 / ISO 25178
• Topografiemessungen (u. a. Volumen, Verschleiß, Tribologie)
• Kontur und Form (2D, 3D)
• Poren- und Partikelanalyse
• Defekt-Analyse
• u.v.m.