Winzige Strukturen – große Wirkung

Materialwissenschaftler gestalten Oberfläche winziger, gekrümmter Kohlenstofffasern durch Laserstrukturierung

Stand: 06.04.2018 - 09:00

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. 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 beispiels­weise 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 133 (2018) 176. DOI: 10.1016/j.carbon.2018.03.035


Quelle: Uni Jena - Mitteilungen - (06.04.2018)

Quelle: idw - Informationsdienst Wissenschaft (06.04.2018)

Bild 1: 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

Bild 2: 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