Nanofabrikationsmethode Laser setzt Mikrostrukturen aus verschiedensten Materialien zusammen

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Eine neue 3D-Drucktechnik erlaubt es, kleinste Mikroroboter aus verschiedenen Materialien zu konstruieren. Dazu lenkt ein Femtosekundenlaser Nanopartikel in einer Flüssigkeit gezielt in vorab gedruckte Formen. Bislang war diese so genannte Zwei-Photonen-Polymerisation auf Polymere beschränkt. Nun lassen sich auch andere Materialien wie Metalle oder Kohlenstoffmaterialien verarbeiten.

Objekte herstellen, die so klein sind, dass sie die Breite eines menschlichen Haares unterschreiten? Kein Problem. Bisher ist das mit einem Fertigungsverfahren namens Zwei-Photonen-Polymerisation möglich, kurz 2PP – der aktuelle Stand der Technik in der additiven Mikro- und Nanofabrikation. Winzige Skulpturen wie eine Miniatur-Nachbildung des Eiffelturms oder des Taj Mahal sorgten medial für Schlagzeilen. Solche Kreationen sind zwar beeindruckend anzusehen, ihre Bedeutung reicht jedoch weit darüber hinaus. 3D-Mikro- und Nanofabrikationstechniken sind für viele wissenschaftliche Bereiche wichtig, beispielsweise für die Medizin, das Ingenieurwesen und die Robotik.

Bislang gab es jedoch eine große Einschränkung: Miniatur-3D-Objekte ließen sich bisher nur aus wenigen Materialien herstellen, vor allem aus Polymeren. Man kann zwar beeindruckend detaillierte Modelle drucken, aber nur mit einer einzigen Art von Modelliermasse.

Kleinste Leuchtdiode der Welt fabriziert

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Eine Technik für verschiedenste Materialien

In einem nun veröffentlichten Nature-Artikel stellt ein Team von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) und der National University of Singapore (NUS) ein neues 3D-Fertigungsverfahren im Mikro- und Nanobereich vor, das nicht mehr ausschließlich auf Polymere beschränkt ist. In ihrer Arbeit zeigen die Forscher, wie sie verschiedenste Materialien verwenden: von Metallen über Metalloxide bis hin zu Kohlenstoffmaterialien oder Halbleitern.

„Die Schlüsselidee dieser Studie besteht darin, optofluidische Wechselwirkungen, also lichtgetriebene Strömungen zielgerichtet anzuwenden. So können wir die 3D-Anordnung verschiedener Mikro- oder Nanopartikel in eine Form hineinsteuern“, erklärt Mingchao Zhang der Mitautor der Publikation und Assistenzprofessor an der National University of Singapore.

Laser leitet Partikel in Förmchen

Der entscheidende Faktor ist der durch Wärme induzierte, auf einen Punkt fokussierte Flüssigkeitsstrom, den ein Femtosekunden-Laser auslöst. Der Laser erwärmt einen winzigen Punkt innerhalb der Flüssigkeit, in der die Partikel schwimmen. An diesem Hotspot bündeln sich die Partikel. Zeigt der Laser auf eine kleine Öffnung an der Seite einer Polymer-Mikroform, ähnlich einer Kuchenform oder eines Sandförmchens – passieren die Partikel diese Lücke, um sich dann in der Kuchenform wieder auszubreiten.

„Der Femtosekunden-Laser induziert einen lokalisierten thermischen Gradienten, der einen starken Fluss erzeugt und die Partikel genau dorthin treibt, wo wir sie haben wollen. Dabei kann die Form beliebig sein: von einer Würfelstruktur über Kugeln bis hin zu einer Croissant-Form, vieles ist möglich“, erklärt der Erstautor der Publikation, Xianglong Lyu, der am MPI-IS forschte und nun als Postdoktorand am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) arbeitet. „Sobald wir alle Partikel gebündelt haben, wird die Polymer-Außenhülle entfernt, sodass eine freistehende Struktur zurückbleibt, die vollständig aus dem gewünschten Material mit der gewünschten Form und Größe besteht. Nun können wir also nicht nur eine Art von Modelliermasse nutzen, sondern eine ganze Werkzeugkiste voller Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften.“

Maschinenbau im Miniformat

Um zu zeigen, was mit dieser neuen optofluidischen Fertigungsmethode möglich ist, baute das Team verschiedene winzige Geräte, beispielsweise Mikroventile, die Partikel in haardünnen Kanälen nach ihrer Größe sortieren können. Oder sie bauten Mikroroboter, die aus mehr als einem Material bestehen und auf unterschiedliche Weise bewegt werden können, je nachdem, ob Licht oder ein externes Magnetfeld sie antreibt. Alle Strukturen sind stabil: Starke Van-der-Waals-Kräfte halten die zusammengesetzten Partikel zusammen, wodurch die Strukturen auch ohne chemische Bindungen selbsttragend und mechanisch stabil sind.

„Die optofluidische Montage überwindet die materiellen Einschränkungen der herkömmlichen Zwei-Photonen-Polymerisation. Unsere neue Technologie ermöglicht es uns, winzige 3D-Objekte aus fast jedem Material zu formen“, fasst Metin Sitti zusammen, der die Abteilung für Physische Intelligenz am MPI-IS leitete und nun Präsident der Koç-Universität in Istanbul ist. „Dies eröffnet neue Horizonte für multifunktionale Mikroroboter, Mikrotechnologie und viele andere Anwendungen, die heute noch wie Science-Fiction klingen“, sagt der Forscher.

Originalpublikation: Xianglong Lyu, Wenhai Lei, Gaurav Gardi, Muhammad Turab Ali Khan, Shervin Bagheri, Mingchao Zhang, and Metin Sitti: Optofluidic three-dimensional microfabrication and nanofabrication, Nature (2026); DOI: 10.1038/s41586-025-10033-x

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