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15.12.2015

Dieses Bild passt auf den Querschnitt eines Haars

ETH Zürich schafft mit Nano-Inkjet-Technologie Weltrekord

Nemo im Mikroformat: Das kleinste Inkjet-Farbbild der Welt misst gerade mal so viel wie die Querschnittsfläche eines menschlichen Haars. (Bild: Scrona / ETH Zürich)

Ihren Rekord erzielten die Wissenschaftler mit einer neuen 3D-Nanodruck-Technologie, die an der ETH Zürich entwickelt wurde und von dem Spinoff Scrona kommerzialisiert wird, dem NanoDrip printing.

Das ausgedruckte Bild misst gerade mal 0,0092 Quadratmillimeter und hat Seitenlängen von 80 respektive 115 Mikrometern. Dies entspricht der Schnittfläche eines menschlichen Haares oder der Grösse eines einzelnen Pixels eines Retina-Bildschirms von Apple. «Dieses Bild ist so winzig, dass es von blossem Auge nicht mehr sichtbar ist», sagt der ehemalige ETH-Forscher und Scrona-Mitgründer Patrick Galliker, der bei Professor Dimos Poulikakos doktorierte und noch immer mit dessen Institut assoziiert ist. Damit unabhängige, von Guinness World Records Limited verifizierte Experten das Mikrobild sehen konnten, mussten sie ein spezielles Mikroskop verwenden.

Auf dem Bild zu sehen sind Clownfische – Nemo lässt grüssen –, die sich um eine Seeanemone aufhalten. In natura werden die Fische 10 Zentimeter gross. Für das Bild wurden sie um den Faktor 3333 auf eine Grösse von 30 Mikrometer geschrumpft. Dank der verwendeten 24-bit-Farbtiefe (womit über 16 Millionen Farben dargestellt werden können) des Ausdrucks erscheint die Unterwasserszenerie lebensecht und natürlich.

Der Grund für die lebhafte Darstellung sind sogenannte Quanten-Punkte (englisch: Quantum Dots, QD). Dabei handelt es sich um Nanopartikel, die in spezifischen Farben leuchten. Indem die Forscher die Grösse der QD verändern, können sie die Farbe des abgegebenen Lichts nach Wunsch festlegen. Die Farben von Quanten-Punkten leuchten sehr intensiv, weshalb sie derzeit auch vermehrt für die Herstellung von Flachbildschirmen eingesetzt werden.

Um die Clownfische und ihre Anemone darzustellen, wurden mehrere Lagen von roten, grünen und blauen QDs übereinander gedruckt. Die Auflösung beträgt 25.000 dpi, der Abstand zwischen zwei Pixeln beträgt damit nur 500 Nanometer. Um die Farbtiefe von 24 bit zu erreichen, musste die Dicke der Schichten mit höchster Präzision im atomaren Bereich festgelegt werden - und das bei jedem einzelnen Pixel.

So funktioniert das NanoDrip printing

Bei der Technologie der ETH Zürich und Scrona werden feinste Partikel aus einer Kapillare mittels eines elektrischen Feldes gezielt auf eine Oberfläche übertragen. Je nachdem, wie lange an derselben Stelle Material angelagert wird, wächst die Struktur in die Höhe, sodass Nano-Türmchen entstehen. Werden diese sehr hoch werden, fallen sie um. Auch leicht verbogene Türmchen können die Experten herstellen oder jeweils zwei der Türmchen gegeneinander lehnen, sodass eine Art von winzigen Torbögen entsteht. Gedruckt wird mit Nano-Partikeln verschiedenster Materialien wie Silber, Gold oder eben Quantum Dots, die in Lösungsmittel eingebracht sind. Die Nano-Partikel lagern sich beim Drucken nach physikalischen Gesetzen aneinander an. Das Lösungsmittel verdampft - fertig sind die Nano-Strukturen.

Bis vor kurzem war es nicht einmal mit modernster Halbleiter-Technik möglich, solche Nanostrukturen, wie sie für diesen Weltrekord erzielt wurden, von derart hoher Präzision zu erschaffen. Das Bild von Scrona und den ETH-Forschern ist deshalb nicht einfach nur ein netter Gag, sondern es ist eine vielversprechende Alternative für die Herstellung von Bildschirmen oder optischen Geräten.

Bis es soweit ist, müssen die Forschenden die Geschwindigkeit des Druckvorgangs verbessern. Das Clownfisch-Bild auszudrucken dauerte mehrere Stunden. «Damit sich industriell interessante Mengen produzieren lassen, müssen wir das Tempo stark erhöhen», sagt Galliker. Scrona hat jedoch in den vergangenen zwei Jahren den Prototyp eines skalierten Druckkopfs entwickelt, auf dem schon jetzt hunderte Düsen funktionstüchtig sind. Ausserdem hat sich der ETH Spin-off soeben mit einem grossen Industriekonsortium für ein EU-Projekt beworben, mit dem er die Skalierung vorantreiben will.

Scrona sorgt nun für die Skalierung und Kommerzialisierung der Technologie, sodass sie im grossen Massstab eingesetzt werden kann. Wer sich einen Eindruck von der Technologie verschaffen möchte, dem sei die aktuelle Kickstarter-Kampagne des Spin-offs empfohlen. Dabei kann man sich sein persönliches Mikrobild drucken lassen und erhält dazu ein kreditkartengrosses Mikroskop, um das Bild betrachten zu können.

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