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Origami mit Wasser und Silizium-Verbindung

Technik|Digitales

Origami mit Wasser und Silizium-Verbindung
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Würfel aus hauchdünnen, mikroskopisch kleinen Siliziumblättchen - aufgerichtet durch einen Wassertropfen (Universität Twente)
Gefaltet wie von Zauberhand: Das winzige Schnittmuster eines Würfels richtet sich plötzlich wie von selbst auf und formt den fertigen, dreidimensionalen Kubus. Ähnliches geschieht mit einer Pyramide, einer Schale und einer Art Toblerone-Barren. Für diese Selbstorganisation im Nanomaßstab benötigt man nichts weiter als ein passendes Siliziumnitrid-Schnittmuster und – einfaches Wasser. Dass das funktioniert, führen niederländische Forscher nun eindrucksvoll in einem Experiment vor. Ihre wasserbasierte Selbstorganisation könnte dazu beitragen, Mikrokomponenten für Elektronik schneller und günstiger als bisher zu produzieren. Aber auch Bauteile für die Biomedizin könnten nach diesem Prinzip hergestellt werden.

Immer kleiner, immer leistungsfähiger: Der Trend in der Elektronik geht weiter ungebrochen in Richtung Miniaturisierung. Je kleiner aber ein Bauteil ist, desto schwieriger wird es, dieses mit herkömmlichen Produktionsmethoden zu erzeugen. „Während es simpel ist, 3D-Strukturen im alltäglichen Leben herzustellen, ist das bei der Mikrofabrikation extrem schwer, vor allem wenn große Mengen möglichst günstig produziert werden sollen“, erklärt Erstautor Antoine Legrain von der Universität Twente. Eine vielversprechende Lösung ist die Selbstorganisation: Dabei werden physikalische Kräfte wie die magnetische Anziehung oder die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten ausgenutzt, um Materialien quasi wie von selbst in die gewünschte Form zu bringen. Bei Halbleiter-Bauteilen geschieht dies meist mit Hilfe einer speziellen Löttechnik, bei der das flüssige Lötmaterial das Silizium in die Zielkonfiguration zieht. Das allerdings ist relativ langwierig und erfordert spezielle Lötmaterialien.

Wasser als Falthilfe

Die Forscher von der Universität Twente haben daher nun ein anderes Mittel ausprobiert, um Siliziumnitrid zu dreidimensionalen Formen zusammenzusetzen: Wasser. „Wasser ist überall, biokompatibel, billig und leicht anzuwenden“, erklärt Legrain. Für ihre Experimente entwarfen die Forscher zunächst die Schnittmuster für verschiedene 3D-Formen am Computer – also die geometrische Form, die zusammengeklappt das gewünschte Objekt bildet. „Die Auswahl dieser Formen ist im Prinzip unbegrenzt – Hauptsache, die spätere 3D-Form lässt sich als flaches Schnittmuster darstellen“, erklärt Legrain. Mit Hilfe dieser Schnittmuster schnitten die Wissenschaftler entsprechende Faltbögen aus Siliziumnitrid-Schichten aus. An den gewünschten Faltkanten ätzten sie  einen Teil der Schicht weg, damit die Form dort später leichter umklappen kann. In der Mitte der Faltbögen blieb ein kleiner Kanal nach unten offen – er ist für die Selbstorganisation auf Wasserbasis entscheidend.

Um die Selbstorganisation der Siliziumformen zu starten, reicht es nun, ein wenig Wasser durch den Kanal zu pumpen. An der Oberseite des Faltbogens bildet sich dadurch ein runder Wassertropfen. Seine Oberflächenspannung zieht nun die Seitenklappen des Falzbogens mit sich nach oben und verbindet sie sie dadurch automatisch zu einer dreidimensionalen Form. Im Test setzten die Forscher so in Sekundenschnelle winzige Würfel, Pyramiden, Schalen und ein längliches Prisma zusammen – alle kleiner als ein Sandkorn. Im Gegensatz zu früheren Versuchen dieser Art können diese Formen zudem mehrfach geöffnet und wieder geschlossen werden, wie die Forscher berichten: Einfach indem Wasser zu und wieder abgepumpt wird. Bis zu 60 Mal hintereinander ließen sich die Formen auf diese Weise auf und zuklappen – ohne dass es Anzeichen von Schäden oder Abnutzung gab.

Nach Ansicht der Forscher eröffnet diese wasserbasierte Selbstorganisation neue Möglichkeiten, elektronische Bauteile einfacher und schneller als bisher zu formen. Zudem könnten solche umkehrbaren Klappmechanismen auch in der Biomedizin eingesetzt werden, beispielsweise um Medikamente einzuschließen und sie dann gezielt wieder freizusetzen oder aber um wie mit einer autonomen Pinzette winzige Proben von Geweben oder Zellen im Körper zu greifen. Bis dahin allerdings muss noch Einiges an Weiterentwicklung geleistet werden, räumen die Forscher ein. Sie wollen nun als Nächstes leitfähige Gelenkverbindungen und 3D-Sensoren mit ihrer neuen Technik herstellen.

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Quelle:

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar
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