Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Winzige Strukturen – große Wirkung

06.04.2018

Materialwissenschaftler der Universität Jena gestalten Oberfläche winziger, gekrümmter Kohlenstofffasern durch Laserstrukturierung

Die Oberfläche von Materialien kann einen enormen Einfluss auf deren Funktion haben. Verändert man die äußere Beschaffenheit, so erweitert man auch die Bandbreite der Verwendungsmöglichkeiten. Deshalb erforschen Materialwissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena, wie sie die Oberfläche verschiedener Werkstoffe mit Lasertechnik gestalten können.


Jenaer Forschern ist es erstmals gelungen, selbst gekrümmte Oberflächen mit laserinduzierten periodischen Strukturen zu versehen, mit denen sich Oberflächen auch farblich gestalten lassen.

Foto: Jan-Peter Kasper/FSU


Der Physiker Dr. Stephan Gräf an einem Ultrakurzpulslaser in einem Labor am Otto-Schott-Institut für Materialforschung der Universität Jena.

Foto: Jan-Peter Kasper/FSU

Sie konzentrieren sich dabei vor allem auf laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen, nach ihrer englischen Bezeichnung auch LIPSS („laser-induced periodic surface structures“) genannt. Mit dieser Methode lassen sich besonders feine Strukturen hervorrufen. Über einen ganz besonderen Erfolg auf diesem Gebiet berichten sie aktuell in der renommierten Fachzeitschrift „Carbon“.

„Bestrahlt man eine Oberfläche mit einem Femtosekundenlaser – also einem Laser mit sehr kurzen Lichtpulsen –, so bilden sich an dem Punkt, an dem der Laserstrahl auf die Oberfläche trifft, charakteristische Strukturen aus“, erklärt Dr. Stephan Gräf vom Otto-Schott-Institut für Materialforschung der Universität Jena.

„Interferenzeffekte in diesem Fokuspunkt rufen die LIPSS hervor.“ Diese Strukturen seien viel kleiner als die, die man durch normale Laserstrukturierung erreiche, da sich ein Laserstrahl nicht beliebig klein fokussieren lässt. Die Größe der Strukturen hängt unter anderem von der Laserintensität und der verwendeten Laserwellenlänge ab. Verändert man also die Parameter der Laserstrahlung, lassen sich die Strukturen nahezu maßgeschneidert aufbringen. Durch das Abrastern der gesamten Oberfläche mit dem Laserstrahl wird sie vollständig mit dem periodischen „Muster“ versehen.

Jetzt auch auf gekrümmten Oberflächen

Generell funktioniert die Methode auf vielen verschiedenen Materialklassen – bisher allerdings konnte sie nur auf ebenen Flächen angewendet werden. Den Jenaer Forschern ist es nun gelungen, auch gekrümmte Oberflächen mit den laserinduzierten periodischen Strukturen zu versehen. „Wir haben LIPSS auf der Oberfläche etwa zehn Mikrometer dünner Kohlenstofffasern aufgetragen – deren Durchmesser ist dabei kaum größer als die aufgebrachten Strukturen selbst“, sagt Gräf. „Außerdem konnten wir verschiedene Strukturtypen übereinanderlegen und somit die Oberfläche hierarchisch gestalten.“

Durch diese aktuellen Forschungsergebnisse bieten sich ganz neue Möglichkeiten für die Praxis. So werden etwa die Kohlenstofffasern bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen in andere Materialien eingebettet. Um die Festigkeit der Verbundwerkstoffe zu verbessern, werden sie bisher beispielweise mit Chemikalien behandelt. Durch die LIPSS lässt sich nun ihre Oberflächentopographie gezielt verändern, so dass es zu einem Verankern zwischen Polymer und eingebetteten Fasern kommen kann.

Langlebigere Materialien

Zudem wirken die Strukturen wie ein optisches Gitter. Mit ihnen lässt sich das Reflexions- und Absorptionsverhalten von Licht auf den Oberflächen gezielt verändern. Gleiches gilt auch für die Beugung von Licht, wodurch sich über sogenannte Strukturfarben Oberflächen selektiv farblich gestalten lassen. Somit qualifizieren sich die laserinduzierten periodischen Oberflächenstrukturen zunehmend auch für optische Anwendungen.

Und auch die Haltbarkeit von Materialien beeinflussen LIPSS positiv: „Durch die Veränderung der Oberflächentopografie kann man den Reibungsquotienten verringern und somit Verschleiß vorbeugen“, erklärt der Materialwissenschaftler von der Universität Jena. „Beispielsweise könnten so langlebigere Implantate entwickelt werden.“ Außerdem lassen sich die Benetzungseigenschaften von Materialien auf diese Weise verändern. Sie können so etwa wasserabweisender gestaltet werden.

Gräf plant ausgehend von den nun vorliegenden Erkenntnissen weitere Forschungen auf diesem Gebiet – nicht zuletzt, da er an der Friedrich-Schiller-Universität dafür ein sehr gutes Netzwerk vorfindet. „Für diese Ergebnisse haben Jenaer Materialwissenschaftler und Chemiker intensiv zusammengearbeitet und sehr erfolgreich mit Kollegen von der Berliner Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung kooperiert“, berichtet er.

Original-Publikation:
Clemens Kunz, Tobias N. Büttner, Björn Naumann, Anne V. Boehm, Enrico Gnecco, Jörn Bonse, Christof Neumann, Andrey Turchanin, Frank A. Müller, Stephan Gräf: Large-area fabrication of low- and high-spatial-frequency laser-induced periodic surface structures on carbon fibers. Carbon: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.03.035

Kontakt:
Dr. Stephan Gräf
Otto-Schott-Institut für Materialforschung der Universität Jena
Löbdergraben 32, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947754
E-Mail: stephan.graef[at]uni-jena.de

Weitere Informationen:

http://www.uni-jena.de
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.03.035 - der Originalartikel

Sebastian Hollstein | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Die steifsten Leichtbaumaterialien überhaupt
12.12.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

nachricht Künstliches Perlmutt nach Mass
12.12.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Tödliche Kombination: Medikamenten-Cocktail dreht Krebszellen den Saft ab

Zusammen mit einem Blutdrucksenker hemmt ein häufig verwendetes Diabetes-Medikament gezielt das Krebswachstum – dies haben Forschende am Biozentrum der Universität Basel vor zwei Jahren entdeckt. In einer Folgestudie, die kürzlich in «Cell Reports» veröffentlicht wurde, berichten die Wissenschaftler nun, dass dieser Medikamenten-Cocktail die Energieversorgung von Krebszellen kappt und sie dadurch abtötet.

Das oft verschriebene Diabetes-Medikament Metformin senkt nicht nur den Blutzuckerspiegel, sondern hat auch eine krebshemmende Wirkung. Jedoch ist die gängige...

Im Focus: Lethal combination: Drug cocktail turns off the juice to cancer cells

A widely used diabetes medication combined with an antihypertensive drug specifically inhibits tumor growth – this was discovered by researchers from the University of Basel’s Biozentrum two years ago. In a follow-up study, recently published in “Cell Reports”, the scientists report that this drug cocktail induces cancer cell death by switching off their energy supply.

The widely used anti-diabetes drug metformin not only reduces blood sugar but also has an anti-cancer effect. However, the metformin dose commonly used in the...

Im Focus: New Foldable Drone Flies through Narrow Holes in Rescue Missions

A research team from the University of Zurich has developed a new drone that can retract its propeller arms in flight and make itself small to fit through narrow gaps and holes. This is particularly useful when searching for victims of natural disasters.

Inspecting a damaged building after an earthquake or during a fire is exactly the kind of job that human rescuers would like drones to do for them. A flying...

Im Focus: Neuartige Lasertechnik für chemische Sensoren in Mikrochip-Größe

Von „Frequenzkämmen“ spricht man bei speziellem Laserlicht, das sich optimal für chemische Sensoren eignet. Eine revolutionäre Technik der TU Wien erzeugt dieses Licht nun viel einfacher und robuster als bisher.

Ein gewöhnlicher Laser hat genau eine Farbe. Alle Photonen, die er abstrahlt, haben genau dieselbe Wellenlänge. Es gibt allerdings auch Laser, deren Licht...

Im Focus: Topological material switched off and on for the first time

Key advance for future topological transistors

Over the last decade, there has been much excitement about the discovery, recognised by the Nobel Prize in Physics only two years ago, that there are two types...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

ICTM Conference 2019 in Aachen: Digitalisierung als Zukunftstrend für den Turbomaschinenbau

12.12.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Januar und Februar 2019

11.12.2018 | Veranstaltungen

Eine Norm für die Reinheitsbestimmung aller Medizinprodukte

10.12.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Biofilme generieren ihre Nährstoffversorgung selbst

12.12.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Tanz mit dem Feind

12.12.2018 | Physik Astronomie

Künstliches Perlmutt nach Mass

12.12.2018 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics