Hohlräume in 3D

Quarzglas ist das bevorzugte Material für Anwendungen, die eine langfristige Nutzung erfordern, da es hohe chemische und mechanische Stabilität sowie hervorragende optische Eigenschaften aufweist. Der Ingenieur Prof. Dr. Bastian E. Rapp vom Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg hat mit seinem Team den Glassomer-Prozess entwickelt, ein Verfahren, mit dem die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dieses Glas wie Kunststoff formen können. Im Fachjournal „Nature Communication“ stellen sie eine neue Anwendungsmöglichkeit vor: Sie können nun beliebige dreidimensionale Hohlraumstrukturen in Quarzglas herstellen.

Glas ist chemisch sehr resistent, weshalb Hohlräume wie optische Wellenleiter oder mikrofluidische Kanäle in ihm schwer herzustellen sind – vor allem, wenn sie dreidimensional sein sollen. Der Glassomer-Prozess von Rapp und seinem Team vereinfachte das. Glassomer ist eine Mischung, in der hochreines Siliziumoxid als feines Pulver zu einem flüssigen Kunststoff hinzugerührt wird. Solange dieses Gemisch flüssig ist, lässt es sich wie ein Kunststoff prozessieren. Unter Lichteinwirkung härtet es dann aus, sodass es zum Beispiel gebohrt oder gefräst werden kann. Anschließend erfolgt eine Hochtemperaturbehandlung: Der Kunststoff verbrennt, und echtes Glas bleibt zurück. Bisher durften Kanalstrukturen nicht kompliziert angelegt sein, weil die Forschenden hierfür das flüssige Material aus den Hohlräumen entfernen mussten, was bei langen Kanälen nicht gut funktioniert.

Die Freiburger Wissenschaftler gehen deshalb nun einen anderen Weg, indem sie zuerst den gewünschten Hohlraum im 3D-Drucker herstellen: Ein späterer Kanal wird als Polymerfaden gedruckt und danach mit Glassomer umgossen. Das fertige Druckerzeugnis wird anschließend auf 1.300 Grad Celsius erhitzt, sodass der Kunststoff – also auch der Polymerfaden – verbrennt. Es entsteht ein Kanal, umgeben von echtem Glas.

Originalpublikation:
Kotz, F., Risch, P., Arnold, K. et al., Rapp, B.E. (2019): Fabrication of arbitrary three-dimensional suspended hollow microstructures in transparent fused silica glass. In: Nature Communication. DOI: 10.1038/s41467-019-09497-z