Metalle drei-oder gar vierdimensional drucken – die vierte Dimension ist die Zeit, die Formänderungen bringen kann – klappt problemlos bei hohen Temperaturen. Die Metalle müssen flüssig sein, um per Druck in Form gebracht zu werden. Forschern der North Carolina State University ist es nun erstmals gelungen, metallische Gebilde bei Raumtemperatur zu drucken – ein grosser Fortschritt, wenn es um die Integration von wärmeempfindlichen Bauteilen wie Mikroelektronik geht. Erstes Produkt ist eine filigran aufgebaute Phantasiefigur, die einer Spinne ähnelt. Die Forschungsergebnisse erschienen kürzlich im Fachjournal "Matter".
Die Forscher beginnen mit Kupfermikropartikeln, die wegen ihrer geringen Grösse in Wasser schweben. Dann fügen sie Mikropartikel der eutektischen Gallium-Indium-Legierung (EGaIn) hinzu. Die Anteile beider Metalle sind so gewählt, dass sie sich bei Raumtemperatur verflüssigen. Die Flüssigkeit enthält 75,5 Prozent Gallium und 24,5 Prozent Indium. Den Mix aus Wasser, Kupfer und EGaIn reichern sie dann mit Salzsäure an.
Die Säure stellt den pH-Wert des Wassers auf 1,0 ein und entfernt Oxide aus dem EGaln. Das führt dazu, dass die EGaln-Partikel (jetzt Kügelchen) an den festeren Kupferpartikeln haften und ein Netzwerk von Kupferpartikeln bilden, die durch EGaln-Brücken miteinander verbunden sind. Zuletzt fügen die Forscher Methylcellulose hinzu, ein weisses Pulver, das aus Cellulose hergestellt wird. Es löst sich in Wasser auf.
Jetzt ist aus der Mixtur ein viskoses Gel geworden, das sich per Drucker verarbeiten lässt. Das gewünschte Objekt wird Schicht für Schicht aufgebaut. Ist es fertig geformt, so wird die Struktur bei milden Temperaturen getrocknet. Nachdem alle enthaltenen Flüssigkeiten verdampft sind, bleibt ein starres, elektrisch hochleitfähiges dreidimensionales Objekt übrig, das zu 97,5 Prozent aus Metall besteht. Der Rest ist Methylcellulose.
Basierend auf der Art und Weise, wie die Partikel beim Extrudieren des Gels ausgerichtet sind, verändert sich die Form des Objekts während des Trocknungsvorgangs (die vierte Dimension) auf vorhersehbare Weise. Dieses Phänomen wird bei der Herstellung von Gegenständen genutzt, die letztlich eine komplexe Form annehmen müssen, aber als flaches Muster einfacher zu drucken sind. "Das öffnet die Tür zur Herstellung einer breiten Palette von elektronischen Komponenten und Geräten", ist der Chemiker und Mit-Entwickler des Verfahrens, Michael D. Dickey, überzeugt.
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