Materialforskare vid TU Darmstadt trycker in nanomönster i metaller, en teknik som kan ge metallytor permanent funktionalitet, som en lotuseffekt eller minskade friktionsegenskaper.

En bagare specialiserad på de kryddade Spekulatius-kexen som äts i Tyskland runt jultid och Paul Braun, en doktorand vid Physical Metallurgy-gruppen vid Institutionen för material och geovetenskaper vid TU Darmstadt har en sak gemensamt:de lägger båda en del av sin tid på att trycka in design i material – den i kexdeg; den andra till metall. Dock, medan djuren, siffror, och väderkvarnar som vanligtvis stämplas in i julkakorna är lätt identifierbara, Brauns avtryck är för små för att vara osynliga med blotta ögat. De formas till metallen med hjälp av en liten stämpel gjord av diamant som inte är större än spetsen på en nål. "Diamant är perfekt för uppgiften", Braun förklarar, "eftersom det är ett extremt hårt material som är nästan ogenomträngligt för slitage."

För att kunna användas för prägling, diamanten är klämd i en speciell anordning, en så kallad nanoindenter. Faktiskt, materialforskarna vid TU Darmstadt använder vanligtvis nanoindentern för helt olika ändamål, som att testa hårdheten, frakturbeteende, och andra egenskaper hos olika material. Dessa tester involverar alla användningen av en diamantpenna som pressas in i materialet som testas, varvid en kraft appliceras och intryckningsdjupet mäts på nanoskala. Dessutom, enheten kan användas i kombination med ett svepelektronmikroskop (SEM) för att studera sprickbildning av tunna beläggningar under intryckningsprocessen. Brauns doktorandhandledare Dr Karsten Durst, Professor i fysisk metallurgi vid TU Darmstadt, förklarar:"Diamantspetsen pressas mindre än 100 nanometer in i provet under sådana tester, så att nanoindentern kan användas för att utforska tunna lager."

I många år har han drivit utvecklingen av denna metod för materialtestningsändamål och använder den nu för att ta itu med nya problem. Han planerar nu att använda den för nanoskala prägling av metallytor. Denna teknik, som experter kallar nano-imprinting, används redan i kombination med polymerer, till exempel vid tillverkning av plastchips som inkluderar mikroskopiska kanaler och andra strukturer. Inte heller är prägling eller prägling av metall något nytt i princip, men det har hittills bara använts i mycket större skala för saker som att prägla mynt. Enligt Durst:"Vi är precis i början av nano-imprinting av metalliska ytor, och tittar fortfarande på de grundläggande principerna för denna teknik".

Hårda och fint strukturerade stämplar

Det första steget är utvecklingen av lagom hårda och finstrukturerade frimärken. Doktoranden Braun har redan lyckats skapa flera av dessa genom att återanvända diamantspetsarna på en nano-indragare, i vilket syfte han reste till Brno i Tjeckien för att träffa mikroskoptillverkaren Tescan, som har utvecklat en speciell jonstråleteknik. Detta används vanligtvis för beredning av prover för undersökning med elektronmikroskopi. Braun, å andra sidan, använde den fokuserade jonstrålen för att skära av toppen av diamantsonden, att hugga en pelare ur resterna av diamanten, och att fräsa in det önskade mönstret i dess övre yta. Efter den sista jonstrålepoleringen, stämpeln var klar att användas.

Nästa fråga är:vilka egenskaper behöver en metallbit ha så att den exakt bildar den önskade ytstrukturen. Som varje Spekulatius-bagare vet, framgången för kexet beror på degens konsistens. Detsamma gäller, i princip, till nano-imprinting-processen:metallens mikrostruktur måste vara helt rätt för att säkerställa att den "flyter" väl in i formen. Forskarna i Darmstadt vill kunna prägla strukturer på bara 50 nanometer – det är cirka 1500 gånger tunnare än ett människohår! Problemet:vilken metall eller legering som helst kommer att bestå av en mängd små, tätt packade korn. För de flesta konventionella metaller och legeringar mäter diametern på dessa korn långt över 1000 nanometer. Detta betyder, dock, att konventionella kornstorleksmetaller kommer att motstå att pressas in i formen av stämpeln på grund av deras stora kornstorlek. Det är därför Durst och hans kollegor forskar om produktionen av mer finkorniga metaller, som kommer att passa perfekt inom frimärkens ihåliga utrymmen.