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Physik

Wo Haaresbreiten riesig werden

Wiener Forscher entwickeln in einem neu gegründeten Labor für Lasertechnologien Methoden, um Oberflächen völlig neue Eigenschaften einzubrennen. Dabei stoßen sie in unvorstellbar kleine Dimensionen vor.

Millimetergenaues Arbeiten – die Forscher am neuen Laserlabor der Technischen Universität Wien auf dem Arsenalgelände im dritten Wiener Bezirk haben dafür nur ein müdes Lächeln übrig. Denn bei ihnen geht es um Bruchteile von Haaresbreiten, wenn sie mit ihren Geräten Materialien bearbeiten, um diesen durch Verändern der Oberflächenstrukturen völlig neue Eigenschaften zu verleihen.

„So ist es unter anderem möglich, die Tragflächen von Flugzeugen so zu gestalten, dass sie nicht vereisen, dass man sie also nicht, wie derzeit üblich, mit chemischen Methoden enteisen muss“, sagt Andreas Otto, Leiter des Forschungsbereichs Photonische Technologien, zu dem das Labor gehört, und zeigt damit eine umweltfreundliche Anwendung auf. Die Wissenschaftler schauen sich bei ihren Experimenten unter anderem einiges bei der Natur ab – etwa, wenn sie sich den Lotuseffekt zunutze machen. Die Lotusblume hat Blätter, die stets sauber sind, weil Schmutz an ihnen nicht haftet. Das liegt an der besonderen Struktur der Blätter. Die Forscher sind nun in der Lage, mithilfe von Laserstrahlen die Oberflächen von Materialien so zu optimieren, dass diese ebenfalls schmutz- oder feuchtigkeitsabweisend sind.

Roboter steuern Laserlinsen

Um die Materialoberflächen derart präzise mit dem Laserstrahl gestalten zu können, werden die Lichtimpulse des Strahls im Femtosekundenbereich gesetzt – würde man das in Sekunden beziffern, brauchte man Zahlen mit 14 Nullen hinter dem Komma. Ein Wimpernschlag dauert im Vergleich dazu ewig. In dieser Zeit kommt der Laserstrahl etwa ein Hundertstel der Breite eines menschlichen Haares weit.

Entsprechend genau wird die gewünschte Struktur in die Testoberfläche „eingebrannt“, indem Roboter den Strahl mithilfe einer Linse auf das Material fokussieren. Gesteuert werden die Roboter vom Computer, in den die Wissenschaftler zuvor die nötigen Daten eingegeben haben und der zunächst eine Simulation des Bearbeitungsvorgangs durchgeführt hat. „Was wir machen, ist Grundlagenforschung“, sagt Otto. „Das heißt, wir versuchen herauszufinden, welche Strukturen man braucht, um einen bestimmten Effekt zu erreichen, und wie man diese Struktur dann erzeugt.“ Die Intensität und die Form des Laserstrahls gelte es dabei ebenso zu berücksichtigen wie Interferenzeffekte, wenn sich Lichtwellen überlagern und gegenseitig verstärken oder abschwächen. „Das Besondere ist, dass sich Materialoberflächen beim Auftreffen von Ultrakurzimpulsen energetisch anders verhalten, als wenn sie konventioneller Laserstrahlung ausgesetzt werden“, erklärt der Experte.

Die Technologien, die von den Wissenschaftlern im Labor entwickelt werden, bieten aber auch Anwendungsmöglichkeiten beim Laserstrahlschweißen, etwa im Karosseriebau. „Die Industrie findet ständig neue Werkstoffe, und da muss dann auch die Bearbeitungstechnologie angepasst werden“, schildert Otto eine wesentliche Aufgabe. „Wir suchen im Labor die idealen Parameter dafür.“
Getestet werden neue Verfahren und Oberflächenbearbeitungen im Laserlabor der Wiener TU an nur wenige Quadratzentimeter großen Materialmustern. Forschungsbereichsleiter Otto: „Die wirtschaftliche Umsetzung in industriellen Maßstäben ist dann die nächste große Herausforderung.“