Zwitter im Zwergenreich

Auf dem Tisch vor Dr. Ruth Houbertz liegen drei Schwarz-Weiß-Bilder. Auf dem ersten Bild ist die Skulptur eines Drachen zu sehen, auf dem zweiten ein Frauen-Torso. Die Aufnahmen sind mit einem Elektronenmikroskop entstanden, die Objekte darauf messen nur wenige Mikrometer, also tausendstel Millimeter. Das dritte Bild zeigt ein Objekt, das wie ein Stapel von feinen Gittern aussieht.

"Das stellt eine kleine photonische Kristallstruktur dar. Und im Prinzip dient eine solche Struktur dazu, Licht zu manipulieren und zu steuern."

Photonische Bauelemente werden jetzt schon in der Datenübertragung eingesetzt. Datenübertragung, bei der die Informationen in Form von Licht übermittelt werden. Die Miniaturisierung der Bauteile wollen die Forscher des Fraunhofer-Institutes für Silicatforschung vorantreiben. Linsen für winzige Laser, Leiterbahnen und Verzweigungsstellen für Lichtimpulse. Gitter, die das Licht nach Farbe sortieren. All das ist möglich mit der Technik und den Materialien, die in Würzburg entwickelt worden sind. Ausgangsstoff ist eine Art Kunstharz, das zwischen zwei Glasplättchen gegeben und dann mit einem ganz speziellen Laser ausgehärtet wird, polymerisiert wird.

"Wenn ich einen Laser nehme, mit dem Femtosekundenpulse ausgesendet werden können, kann ich direkt in dem Fokuspunkt des Lasers das Harz polymerisieren und so zum Beispiel in drei Raumrichtungen den Laserstrahl bewegen beziehungsweise die Probe bewegen und dann eben besonders feine Strukturen im Bereich von kleiner zweihundert Nanometer erzeugen."

Das Kunstharz hat ganz besondere Eigenschaften. Es besteht nämlich sowohl aus organischen als auch anorganischen Komponenten. Zuerst bauen die Wissenschaftler das anorganische Netzwerk auf. Es trägt aber bereits organische Verknüpfungspunkte, die dann zum Beispiel mit dem Laserlicht aktiviert werden. Wegen des doppelgesichtigen Charakters nennen die Fraunhofer-Forscher dieses Material "Hybrides Polymer". Aus seinem Aufbau ergeben sich Vorteile für die mikroskopische Strukturierbarkeit, so Professor Gerd Müller, der Institutsleiter.

"Strukturierbarkeit heißt, dass man bestimmte Strukturen durch Belichten und anschließendes Ätzen herauspräparieren kann. Und da ist ein wichtiger Aspekt die Formtreue und vor allem auch die Schärfe der Strukturen, die man da erreicht. Und das ist wiederum aufgrund des dualen organischen-anorganischen Aufbaus bei diesen hybriden Polymeren besonders leicht und gut zu machen."
Herkömmliche Polymere lassen sich nicht so zielgenau aushärten, wenn man sie mit Licht bestrahlt. Weil die chemische Reaktion sich dabei auch über die belichteten Stellen hinaus fortpflanzt. Unscharfe Ränder sind die Folge. Bei den Hybriden Polymeren stoppt die Vernetzung an der Hell-Dunkel-Grenze recht schnell. Denn es gibt nur wenige organische Verknüpfungspunkte an dem anorganischen Netzwerk. Dieses Netzwerk ist übrigens durchzogen von Molekülketten aus Silizium und Sauerstoff. Normalerweise finden sich solche Ketten in zwei vollkommen unterschiedlichen Materialien: Glas und Silikon. Glas, anorganisch, ist hart, doch es bricht leicht. Denn es besitzt ein starres molekulares Netzwerk. Silikon hingegen ist weich und dehnbar, weil es auch organische Molekülgruppen trägt. Die Hybriden Polymere vereinen beide Eigenschaften. Müller:

"Die hybriden Polymere haben Eigenschaften, die über weiten Strecken denen bekannter Kunststoffe entsprechen. Bezüglich Formgebung zum Beispiel, auch bezüglich der niederen Verarbeitungstemperatur. Aber sie haben auch Besonderheiten, die sich durch ihren strukturellen Aufbau ergeben. Nämlich höhere Härte, höhere Steifigkeit als die normalen Polymere."

Deshalb eignen sich die vielseitigen Werkstoffen nicht nur für winzig kleine Photonik-Bauteile. Auch Schutzschichten lassen sich damit herstellen, zum Beispiel Anti-Kratz-Schichten für Brillengläser oder Antikorrosions-Schichten für elektronische Bauteile.