Lab erforscht den 3D-Druck im Nanomaßstab

Die Chemikerin Liaisan Khasanova braucht weniger als eine Minute, um aus einer gewöhnlichen Quarzglasröhre eine Druckdüse für einen ganz besonderen 3D-Drucker zu machen. Der Chemiker steckt die nur einen Millimeter dicke Kapillare in ein blaues Gerät, schließt die Klappe und drückt auf einen Knopf. Nach wenigen Sekunden ertönt ein lauter Knall und die Düse ist einsatzbereit.

„Ein Laserstrahl im Inneren des Geräts erhitzt das Rohr und zieht es auseinander. Dann erhöhen wir schlagartig die Zugkraft, sodass das Glas in der Mitte bricht und eine sehr scharfe Spitze entsteht“, erklärt Khasanova, die an ihrer Doktorarbeit arbeitet . in Chemie in der Elektrochemischen Nanotechnologie-Gruppe an der Universität Oldenburg, Deutschland.

Khasanova und ihre Kollegen brauchen die winzigen Düsen, um unglaublich kleine dreidimensionale Metallstrukturen zu drucken. Dementsprechend winzig müssen die Öffnungen der Düsen sein – in manchen Fällen so klein, dass nur ein einziges Molekül hindurchzwängen kann. „Wir versuchen, den 3D-Druck an seine technologischen Grenzen zu bringen“, sagt Dr. Dmitry Momotenko, der die Nachwuchsgruppe am Institut für Chemie leitet. Sein Ziel: „Wir wollen Objekte Atom für Atom zusammenbauen.“

Zahlreiche Anwendungen

Der nanoskalige 3D-Druck – also der 3D-Druck von Objekten, die nur wenige Milliardstel Meter groß sind – eröffne erstaunliche Möglichkeiten, erklärt der Chemiker. Insbesondere für Metallgegenstände sieht er zahlreiche Anwendungen in Bereichen wie Mikroelektronik, Nanorobotik, Sensor- und Batterietechnik: „Elektrisch leitende Materialien werden für alle möglichen Anwendungen in diesen Bereichen benötigt, daher sind Metalle die perfekte Lösung.“

Während der 3D-Druck von Kunststoffen bereits in diese nanoskaligen Dimensionen vorgedrungen ist, hat sich die Herstellung winziger Metallobjekte mit der 3D-Technologie als schwieriger erwiesen. Bei manchen Techniken sind die gedruckten Strukturen für viele fortgeschrittene Anwendungen noch tausendmal zu groß, bei anderen ist es unmöglich, die Objekte in der notwendigen Reinheit herzustellen.

Momotenko ist auf Galvanik spezialisiert, ein Zweig der Elektrochemie, bei dem in einer Salzlösung suspendierte Metallionen mit einer negativ geladenen Elektrode in Kontakt gebracht werden. Die positiv geladenen Ionen verbinden sich mit Elektronen zu neutralen Metallatomen, die sich auf der Elektrode ablagern und eine feste Schicht bilden.

„Aus einer flüssigen Salzlösung wird ein festes Metall – ein Prozess, den wir Elektrochemiker sehr gut steuern können“, sagt Momotenko. Dasselbe Verfahren wird zum Verchromen von Autoteilen und zum Vergolden von Schmuck in größerem Maßstab verwendet.

Etwas kleiner als sonst

Die Übertragung auf die Nanoskala erfordert jedoch viel Einfallsreichtum, Mühe und Sorgfalt, wie ein Besuch im kleinen Labor der Gruppe auf dem Wechloy-Campus der Universität bestätigt. Das Labor enthält drei Drucker – alle vom Team selbst gebaut und programmiert, wie Momotenko betont. Sie bestehen wie andere 3D-Drucker aus einer Druckdüse, Schläuchen zum Zuführen des Druckmaterials, einer Steuerung und den mechanischen Komponenten zum Bewegen der Düse – allerdings ist bei diesen Druckern alles etwas kleiner als üblich.

Eine farbige Kochsalzlösung fließt durch filigrane Röhrchen in das dünne Kapillarröhrchen, das wiederum ein hauchdünnes Stück Draht enthält – die Anode. Sie schließt den Stromkreis mit der negativ gepolten Kathode, einem fingernagelkleinen vergoldeten Siliziumplättchen, das auch die Oberfläche ist, auf der gedruckt wird. Mikromotoren und spezielle Kristalle, die sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung blitzschnell verändern, bewegen die Düse um Bruchteile von Millimetern in alle drei Raumrichtungen.

Da schon kleinste Erschütterungen den Druckvorgang stören können, sind zwei der Drucker in Boxen untergebracht, die mit einer dicken Schicht aus dunklem Akustikschaumstoff überzogen sind. Außerdem ruhen sie auf Granitplatten, die jeweils 150 Kilogramm wiegen. Beide Maßnahmen zielen darauf ab, unerwünschte Schwingungen zu vermeiden. Die Lampen im Labor sind ebenfalls batteriebetrieben, weil die elektromagnetischen Felder, die durch Wechselstrom aus einer Steckdose erzeugt werden, die winzigen elektrischen Ströme und Spannungen stören würden, die zur Steuerung des Nanodruckprozesses benötigt werden.

Eine Reise in die Nanowelt

Liaisan Khasanova hat derweil alles für einen Testdruck vorbereitet: Die Druckdüse steht in Ausgangsposition, die Box ist geschlossen, ein Fläschchen mit hellblauer Kupferlösung ist mit den Schläuchen verbunden. Sie startet ein Programm, das den Druckvorgang einleitet. Messdaten erscheinen auf einem Bildschirm als Kurven und Punkte. Diese zeigen die Schwankungen des Stromflusses und registrieren, wie die Düse kurzzeitig das Substrat berührt und dann immer wieder zurückfährt. Was ist der Maschinendruck? „Nur ein paar Spalten“, antwortet sie.

Säulen sind die einfachsten geometrischen Formen, die im 3D-Druck erzeugt werden, aber die Oldenburger Forscher können auch Spiralen, Ringe und allerlei überhängende Strukturen drucken. Mit der Technik können derzeit Kupfer, Silber und Nickel sowie Nickel-Mangan- und Nickel-Kobalt-Legierungen gedruckt werden. In einigen ihrer Experimente haben sie sich bereits tief in die Nanowelt vorgewagt. Das berichten Momotenko und ein internationales Forscherteam in einer im Fachblatt veröffentlichten Studie Nano-Buchstaben im Jahr 2021, dass sie Kupfersäulen mit einem Durchmesser von nur 25 Nanometern hergestellt hatten – und damit erstmals den 3D-Metalldruck unter die 100-Nanometer-Grenze brachten.

Einer der Eckpfeiler für diesen Erfolg war ein Rückkopplungsmechanismus, der eine präzise Steuerung der Bewegungen der Druckdüse ermöglicht. Es wurde von Momotenko zusammen mit Julian Hengsteler, einem Ph.D. Student, den er an seinem früheren Wirkungsort, der ETH Zürich in der Schweiz, betreute. „Das kontinuierliche Einfahren der Druckdüse ist enorm wichtig, weil sie sonst schnell verstopft“, erklärt der Chemiker.

„Aus einer flüssigen Salzlösung wird ein festes Metall – ein Prozess, den wir Elektrochemiker sehr gut steuern können.“

Das Team druckt die winzigen Objekte Schicht für Schicht mit einer Geschwindigkeit von wenigen Nanometern pro Sekunde. Momotenko findet es immer noch erstaunlich, dass hier Objekte entstehen, die zu klein sind, um mit dem menschlichen Auge sichtbar zu sein. „Man fängt mit einem Objekt an, das man anfassen kann. Dann findet eine gewisse Umwandlung statt und man kann diese unsichtbaren Dinge im kleinsten Maßstab steuern – das ist fast unglaublich“, sagt der Chemiker.

Ein E-Auto könnte innerhalb von Sekunden aufgeladen werden

Auch Momotenkos Pläne für seine Nanoprinting-Technik sind ziemlich verblüffend: Sein Ziel ist es, die Grundlagen für Batterien zu legen, die tausendmal schneller geladen werden können als aktuelle Modelle. „Wenn das gelingt, könnte man ein E-Auto innerhalb von Sekunden aufladen“, erklärt er. Die Grundidee, die er verfolgt, ist bereits rund 20 Jahre alt. Das Prinzip besteht darin, die Wege der Ionen während des Ladevorgangs innerhalb der Batterie drastisch zu verkürzen.

Dazu müssten die derzeit flachen Elektroden eine dreidimensionale Oberflächenstruktur aufweisen. „Beim aktuellen Batteriedesign dauert das Laden so lange, weil die Elektroden relativ dick und weit voneinander entfernt sind“, erklärt Momotenko.

Die Lösung, sagt er, besteht darin, die Anoden und Kathoden wie Finger im Nanomaßstab ineinander zu greifen und den Abstand zwischen ihnen auf wenige Nanometer zu reduzieren. Dadurch könnten sich die Ionen blitzschnell zwischen Anode und Kathode bewegen. Das Problem: Bisher war es nicht möglich, Batteriestrukturen in den erforderlichen Nano-Dimensionen herzustellen.

Momotenko hat sich dieser Herausforderung nun angenommen. In seinem NANO-3D-LION-Projekt, dessen Ziel es ist, fortschrittliche 3D-Drucktechniken im Nanomaßstab zu entwickeln und einzusetzen, um aktive Batteriematerialien mit ultrakleinen Strukturmerkmalen herzustellen. Nach erfolgreicher Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe um Prof. Dr. Gunther Wittstock am Institut für Chemie in einem früheren Projekt entschied sich Momotenko für die Ansiedlung des Projekts an der Universität Oldenburg. «Das Dezernat für Forschung und Transfer war bei meinem Stipendienantrag sehr hilfreich, deshalb bin ich Anfang 2021 von Zürich hierher gezogen», erklärt er.

Seine Forschungsgruppe hat jetzt vier Mitglieder: neben Khasanova, Ph.D. Studentin Karuna Kanes und Masterstudent Simon Sprengel haben sich dem Team angeschlossen. Kanes konzentriert sich auf eine neue Methode, die darauf abzielt, die Präzision der Druckdüse zu optimieren, während Sprengel die Möglichkeit untersucht, Kombinationen aus zwei verschiedenen Metallen zu drucken – ein Prozess, der notwendig ist, um Kathoden- und Anodenmaterial gleichzeitig in einem Schritt herzustellen.

Liaisan Khasanova wird sich bald auf Lithiumverbindungen konzentrieren. Ihre Mission wird es sein, herauszufinden, wie sich die derzeit in Lithiumbatterien verwendeten Elektrodenmaterialien mittels 3D-Druck strukturieren lassen. Das Team plant, Verbindungen wie Lithium-Eisen oder Lithium-Zinn zu untersuchen und dann zu testen, wie groß die Nano-Finger auf den Elektrodenoberflächen sein müssen, welche Abstände machbar sind und wie die Elektroden ausgerichtet werden sollten.

Umgang mit hochreaktivem Lithium

Eine große Hürde dabei ist, dass Lithiumverbindungen sehr reaktiv sind und nur unter kontrollierten Bedingungen gehandhabt werden können. Aus diesem Grund hat das Team kürzlich eine extragroße Version einer Labor-Glove-Box angeschafft, eine gasdicht verschlossene Kammer, die mit einem Edelgas wie Argon befüllt werden kann. An einer Seite sind Handhabungshandschuhe eingebaut, mit denen die Forscher die Objekte im Inneren manipulieren können.

Die etwa drei Meter lange und eine halbe Tonne schwere Kammer ist noch nicht in Betrieb, aber das Team plant, darin einen weiteren Drucker aufzustellen. „Die chemische Umwandlung des Materials und alle anderen Tests müssen ebenfalls in der Kammer durchgeführt werden“, erklärt Momotenko.

Das Team wird im Laufe des Projekts auf einige große Fragen stoßen: Wie wirken sich winzige Verunreinigungen in der Argonatmosphäre auf die gedruckten Lithium-Nanostrukturen aus? Wie lässt sich die beim Laden von Akkus unvermeidlich entstehende Wärme innerhalb von Sekunden abführen? Wie druckt man nicht nur winzige Batteriezellen, sondern auch große Batterien für den Betrieb eines Mobiltelefons oder sogar eines Autos – und das innerhalb einer angemessenen Zeit?

„Einerseits arbeiten wir an der Chemie, die benötigt wird, um aktive Elektrodenmaterialien im Nanomaßstab herzustellen, andererseits versuchen wir, die Drucktechnologie an diese Materialien anzupassen“, skizziert Momotenko die aktuellen Herausforderungen.

Das Problem der Energiespeicherung sei äußerst komplex, zu dessen Lösung sein Team nur einen kleinen Beitrag leisten könne, betont der Forscher. Dennoch sieht er seine Gruppe in einer guten Ausgangsposition: Der elektrochemische 3D-Druck von Metallen ist seiner Meinung nach derzeit die einzig gangbare Option, um nanostrukturierte Elektroden herzustellen und das Konzept zu testen.

Neben der Batterietechnik arbeitet der Chemiker auch an anderen mutigen Konzepten. Mit seiner Drucktechnik will er Metallstrukturen herstellen, die eine gezieltere Steuerung chemischer Reaktionen erlauben als bisher möglich. Solche Pläne spielen in einem relativ jungen Forschungsgebiet namens Spintronik eine Rolle, das sich mit der Manipulation des „Spins“ beschäftigt – einer quantenmechanischen Eigenschaft von Elektronen.

Eine weitere Idee, die er in die Praxis umsetzen möchte, ist die Herstellung von Sensoren, die einzelne Moleküle detektieren können. „Das wäre in der Medizin hilfreich, um zum Beispiel Tumormarker oder Biomarker für Alzheimer in extrem niedrigen Konzentrationen nachzuweisen“, sagt Momotenko.

All diese Ideen sind noch sehr neue Ansätze in der Chemie. „Wie das alles funktionieren soll, ist noch nicht klar“, räumt er ein. Aber so ist das eben in der Wissenschaft: „Jedes sinnvolle Forschungsprojekt erfordert langes Nachdenken und Planen, und am Ende scheitern die meisten Ideen“, fasst er zusammen. Aber manchmal auch nicht – und er und sein Team haben bereits die ersten erfolgreichen Schritte auf ihrem Weg unternommen.