Winzige Strukturen mittels Femtosekundenlaser erzeugt

Zum Vergleich: Ein Nanometer sind 10⁻⁹ Meter „Das ist ein Meilenstein für die Bearbeitung von Oberflächen, die im technischen und biomedizinischen Bereich Anwendung finden“, freut sich Jörg Krüger von der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Das Besondere daran: Der eingesetzte Laser selber erzeugt „nur“ Strahlung einer Wellenlänge von 790 nm.

„Wenn Sie normalerweise einen Strahl eines Lasers dieser Art fokussieren, tritt Beugung auf, die Ihnen nach den Gesetzen der klassischen Fernfeldoptik die erzielbare Auflösung etwa auf die Hälfte der Wellenlänge begrenzt“, erklärt sein Kollege Jörn Bonse.

Also wären eigentlich nur circa 400 nm möglich gewesen. Doch wie konnten die Wissenschaftler dann diese winzigen regelmäßigen Strukturen – wir sprechen immerhin von einer Größenordnung von einem Zehntel der Wellenlänge – gezielt auf einer Titanoberfläche erzeugen?

Ein Blick ins Elektronenmikroskop zeigt Riefen, die ein bisschen an die Wellenstruktur auf dem Meeresboden erinnern. Diese Riefen sind das Ergebnis eines Beschusses des Materials mit ultrakurzen Laserimpulsen. 50 Mal kurz hintereinander wird ein Impuls von nur 30 Femtosekunden Dauer auf das Material geschickt, berichten die Wissenschaftler im Fachblatt „Applied Physics A“*. Das muss man sich wie einen Stroboskopblitz in der Disco vorstellen, nur sehr sehr viel kürzer. Denn eine Femtosekunde ist eine extrem kurze Zeit. Eine Femtosekunde sind 10-15 Sekunden. 30 Femtosekunden, bezogen auf eine Sekunde, sind also genauso kurz wie 30 Sekunden im Verhältnis zu 32 Millionen Jahren.

Nach der Bestrahlung mit dem Femtosekundenlaser wird dann die Oberfläche inspiziert. Den BAM-Wissenschaftlern gelang es, zusammen mit Kollegen vom Max-Born-Institut für Nichlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) Berlin, die richtigen Parameter zu finden: Also wie viel Impulse brauche ich und wie viel Energie pro Fläche dürfen die einzelnen Impulse übertragen? „Diese Riefenstrukturen sehen wir nur ganz knapp oberhalb einer Schwelle, an der überhaupt eine Veränderung am Material erfolgt“, berichtet der Physiker Bonse. Wird die Energiedichte geringfügig erhöht, dann entstehen viel größere Riefen mit Perioden von einigen 100 nm. Doch die waren in diesem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt nicht erwünscht. Geforscht werden sollte nach Strukturen unterhalb der 100 nm-Grenze.

Die richtigen Parameter zu finden war nicht einfach, das Verfahren selber ist aber vergleichsweise unkompliziert und industriekonform. Man arbeitet unter Luft und muss nicht aufwendig ein Vakuum erzeugen, wie es notwendig wäre, wenn man Laser einsetzen würde, die eine Wellenlänge von deutlich unter 200 nm erzeugen. Und es ist ein Verfahren, das in einem Schritt durchgeführt werden kann. Die Probe wird eingespannt und mit dem Laser bestrahlt. Die Impulse generiert man in einem sogenannten Oszillator, verstärkt sie in einem Kristall und fokussiert sie dann mit einem Hohlspiegel. 

Woher die kleinen Strukturen kommen, darüber rätseln die Wissenschaftler noch. Es gibt verschiedene Ansätze, aber ganz verstanden ist der Prozess noch nicht. Das Projekt ist auch noch nicht beendet. In den kommenden zwei Jahren geht es darum, das Material Reibungsversuchen auszusetzen. Sind die Strukturen stabil? Erzeugen sie weniger Reibung? Mit welchen Ölen kann man sie kombinieren? Das sind nur einige Fragen, die noch geklärt werden müssen. Im biomedizinischen Bereich sehen die Wissenschaftler die Bearbeitung von Implantaten als einen Bereich der Anwendung. Durch diese winzigen Riefenstrukturen – so die Hoffnung der BAM-Wissenschaftler – könnte das bearbeitete Material besser vom Körper aufgenommen werden und Zellen es einfacher haben, sich auf der Oberfläche anzusiedeln. Bisher hat man sich bei den Versuchen auf Titan konzentriert. „Der Vorgang ist aber auf andere Materialien übertragbar“, sagt der Physiker Jörg Krüger.

*J. Bonse, S. Höhm, A. Rosenfeld, and J. Krüger
Sub-100-nm laser-induced periodic surface structures upon irradiation of titanium by Ti:sapphire femtosecond laser pulses in air; Applied Physics A 110 (2013) 547-551

http://link.springer.com/article/10.1007/s00339-012-7140-y

DFG-Projekt:
http://www.spp1327.de/
http://www.spp1327.de/pdf/Phase2/Webseite-SPP1327-2_Projekt12-Rosenfeld-Kr%C3%BCger-deutsch.pdf
Kontakt:
Dr. rer. nat. Jörn Bonse
Abteilung 6 Materialschutz und Oberflächentechnik
E-Mail: Joern.Bonse@bam.de
Dr. rer. nat. Jörg Krüger
Abteilung 6 Materialschutz und Oberflächentechnik
E-Mail: Joerg.Krueger@bam.de