11.05.2011

Gutenberg-Style Printing of Self-Assembled Nanoparticle Arrays

Drucken im Nanomaßstab

Als Gutenberg die Prinzipien des modernen Buchdrucks entwickelte, wurden Bücher für die breite Masse zugänglich. Auf eine für die Massenproduktion taugliche Technik im Nanomaßstab hoffen Udo Bach und ein Team aus Wissenschaftlern von der Monash University (Australien) sowie den Lawrence Berkeley National Laboratories (USA), die ein Nano-Druckverfahren entwickelt haben, das an das Gutenbergsche Druckprinzip angelehnt ist.

Ziel ist die einfache, kostengünstige Herstellung nanotechnologischer Bauteile für Solarzellen, Biosensoren und andere elektronische Systeme. Wie die Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, dienen Gold-Nanopartikel als „Tinte“ und die spezifische Bindung zwischen DNA-Molekülen sorgt für ihre Übertragung auf das zu bedruckende Substrat.
Nanomuster mit extrem hoher Auflösung sind heute gut herstellbar. Die bisherigen Methoden sind allerdings, wie die handgeschriebenen Bücher der Ära vor Gutenberg, für eine kommerzielle Fabrikation viel zu langsam und aufwändig. „Neue Nanodruckverfahren bieten eine interessante Lösung“, sagt Bach. Zusammen mit seinen Kollegen entwickelte er ein Verfahren, das wie der Gutenbergsche Buchdruck mit einer wiederverwendbaren „Druckplatte“ arbeitet.

Als Druckplatte dient ein Siliciumwafer, eine Scheibe aus Silicium, wie sie auch zur Herstellung von Computerchips verwendet wird, die mit einem Photolack beschichtet und durch eine Maske, die das gewünschte Muster trägt, mit Elektronen bestrahlt wird (Elektronenstrahllithographie). An den belichteten Stellen löst sich der Lack. Hier kann der Wafer geätzt werden. Dann wird er mit Gold beschichtet. Beim Abheben der Lackschicht bleibt das Gold nur an den geätzten Stellen haften. Über Schwefelwasserstoffgruppen werden Polyethylenglycol-Ketten spezifisch an das Gold gebunden. Am Ende tragen die Ketten positiv geladene Aminogruppen. Nun wird die fertige Druckplatte in die „Tinte“ getaucht, eine Lösung mit Gold-Nanopartikeln, die mit negativ geladenen DNA-Molekülen beschichtet sind. Durch elektrostatische Anziehung heftet sich die DNA an die Aminogruppen und bindet so die Goldnanopartikel an die Stellen der Druckplatte, die das Goldmuster tragen.

Als „Papier“ dient ein mit einem hauchdünnen Goldfilm überzogener Siliciumwafer, der mit DNA beschichtet ist. Diese DNA-Stränge sind komplementär zu den DNA-Strängen auf den Goldpartikeln und paaren sich mit diesen zu Doppelsträngen. Eine solche Bindung ist stärker als die elektrostatische Anziehung durch die Aminogruppen. Wird das „Papier“ auf die „Druckplatte“ aufgedrückt und dann wieder abgenommen, bleiben die Goldnanopartikel der Tinte auf dem „Papier“ haften und bilden das gewünschte Muster ab. Nach einer Reinigung lässt sich die „Druckplatte“ mehrfach wieder verwenden. Bach: „Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich auf der Basis von Nanopartikeln kostengünstige Druckelemente herstellen lassen.“

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