05. 10. 2021
Verfasst von: Thomas Gimpel, Wolfgang Schade

Mit dem Laser zur gewünschten Oberfläche

Die Vergrößerung zeigt nadelförmige Spitzen, die übereinanderliegen. — Mittels Ultrakurzpulslaser entstehen kegelförmige Spitzen auf einer Oberfläche, die gezielt deren Eigenschaften ändern (Aufnahme aus dem Rasterelektronenmikroskop).

Oberflächenstrukturierungen ermöglichen verschiedenste funktionalisierte Produkte, beispielsweise selbstreinigende Gehäuseflächen. Ultrakurzpulslaser können neuartige Eigenschaften von Oberflächen erzeugen. Das Forschungszentrum Energiespeichertechnologien der Technischen Universität Clausthal erforscht und entwickelt in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Heinrich Hertz Institut in Goslar auf dieser Basis Technologien zur Nutzung erneuerbarer Energien. Insbesondere funktionalisierte Elektrokatalysatoren für die Wasserelektrolyse stehen im Fokus.

Effizientere Nutzung erneuerbarer Energien

Die Vielzahl an geeigneten Materialien und die Möglichkeit, gezielt spezielle Eigenschaften einzustellen, eröffnen eine Fülle innovativer Anwendungen. Die Forscherinnen und Forscher verwenden einen Laser, dessen Pulslänge im Femtosekundenbereich (1 fs = 10^-15 s) liegt. Der kurze Energieeintrag trennt dabei Material ohne Wärmeeinfluss ab. Abhängig von der Laserintensität und der Einwirkdauer werden die Eindringtiefe und die Oberflächenstruktur eingestellt. Die dabei entstehenden nadelförmigen Strukturen lassen sich variabel ausrichten. Gleichzeitig kann das Forschungsteam die chemische Zusammensetzung der Oberfläche direkt während des Laserprozesses ändern, zum Beispiel durch chemische Elemente des umgebenden Gases oder eine Dünnschicht auf dem Substrat. Dies verändert die Materialeigenschaften örtlich begrenzt.

Zeitstrahl veranschaulicht die Größenordnungen von Zeiteinheiten. — Zehn Femtosekunden (fs) verhalten sich zu einer Minute wie eine Minute zum Alter des Universums.

Neben vergrößerten Oberflächen werden Benetzbarkeit, Wärmetransport, Reflexion und chemische Zusammensetzung gezielt beeinflusst. So kann das Team metallisierte Dünnschichtsysteme zur Funktionalisierung von Oberflächen bearbeiten. Diese Technik ist bei Metallen wie Stahl, Aluminium, Kupfer, Nickel sowie bei Halbleitern oder Kunststoffen wie Plexiglas (PMMA) realisierbar. Im Falle von Katalysatoren nutzt das Team diese Methode, um günstige Trägermaterialien wie Nickel durch sparsames Einbringen teurerer, aber besserer Katalysatoren effizienter und wirtschaftlicher zu machen.

Je nach Oberfläche verläuft der Wassertropfen oder behält seine gewölbte Form. — Mit ultrakurzen Laserpulsen lässt sich die Benetzbarkeit einer Ebene von wasseranziehend bis -abweisend gezielt einstellen (Echtbildaufnahmen).

Versuchsaufbau mit beheizter Aluminiumfolie und farbig angezeigter Wärmestrahlung — Die schwarze Fläche einer beheizten Aluminiumfolie ist laserbearbeitet und strahlt die Wärme besser ab (Echtbild- und Thermografieaufnahme).

Das Forschungsteam stellt bereits Oberflächen im Technikumsmaßstab her. Weitere Anwendungsfelder, wie effizientere Wärmeübertragung, Optimierung der Lichtabsorption von Oberflächen, hochaktive Katalysatoren und die Erzeugung hydrophober Oberflächen, will es zukünftig erschließen.