Oberfläche mit laserinduzierten periodischen Strukturen
Jan-Peter Kasper/FSU
Die Oberfläche von Materialien kann einen enormen Einfluss auf deren Funktion haben. Verändert man deren äußere Beschaffenheit, so erweitert sich in der Regel auch die Bandbreite der Verwendungsmöglichkeiten. Dieses Ziel verfolgen Materialwissenschaftler der Universität Jena, indem sie die Oberfläche verschiedener Werkstoffe mit Laserlicht verändern.
Sie konzentrieren sich dabei vor allem auf laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen, also laser induced periodic surface structures (LIPSS). Mit dieser Methode lassen sich besonders feine Strukturen erzeugen. Über einen ganz besonderen Erfolg auf diesem Gebiet berichten sie aktuell in der Zeitschrift "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", sagt Stephan Gräf vom Otto-Schott-Institut für Materialforschung der Universität Jena.
Ultrakurze Lichtpulse können über Multifotonenabsorption mit Werkstoffen wechselwirken und dadurch eine "kalte Bearbeitung" ermöglichen. Die optischen Technologien werden in der nächsten Dekade, wie von Analysten vorhergesagt wird, weltweit auf ein Marktvolumen von etwa 800 Mrd. € anwachsen und viele sichere Arbeitsplätze schaffen." Klemens Jesse, Femtosekundenlaser, Einführung in die Technologie der ultrakurzen Lichtimpulse, Seite V.
"Interferenzeffekte in diesem Fokuspunkt rufen die LIPSS hervor", erklärt Gräf, die besondere Wirkung der Oberflächenbearbeitung mit einem Femtosekundenlaser. Die erzeugten 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 hänge 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.
Muster 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", berichtet Gräf. "Außerdem konnten wir verschiedene Strukturtypen übereinanderlegen und somit die Oberfläche hierarchisch gestalten."
Dadurch eröffnen sich 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 beispielsweise chemisch behandelt. Durch die LIPSS lässt sich nun ihre Oberflächentopographie gezielt derart verändern, dass sich die Fasern etwa in einer Polymermatrix gut verankern können.
Niedriger Reibungsquotient
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", gibt Gräf zu bedenken. Beispielsweise könnten so langlebigere Implantate entwickelt werden. Außerdem ließen sich die Benetzungseigenschaften von Materialien auf diese Weise verändern. Sie könnten auf diese Weise zum Beispiel wasserabweisender gestaltet werden.
Der Physiker Stephan Gräf an einem Ultrakurzpulslaser in einem Labor des Otto-Schott-Instituts für Materialforschung der Universität Jena.
Jan-Peter Kasper/FSU