Metallography and Biomimetics – Or New Surfaces Without Chemistry?

Abstract

Fingerprints, a butterfly’s wings, or a lotus leaf: when it comes to surfaces, there is no such thing as coincidence in animated nature. Based on their surfaces, animals and plants control their wettability, their swimming resistance, their appearance, and much more. Evolution has optimized these surfaces and developed a microstructure that fits every need. It is all the more astonishing that, with regard to technical surfaces, man confines himself to random roughnesses or “smooth” surfaces. It is surely not a problem of a lack of incentives: structured surfaces have already provided evidence of optimizing friction and wear [1, 2, 3, 4], improving electrical contacts [5, 6], making implants biocompatible [7, 8], keeping away harmful bacteria [9], and much more. How come we continue counting on grinding, polishing, sandblasting, or etching? As so often, the problem can be found in economic cost effectiveness. It is possible to produce interesting structures such as those of the feather in Fig. 1. However, generating fine structures in the micro and nanometer range usually requires precise processing techniques. This is complex, time-consuming, and cannot readily be integrated into a manufacturing process. Things are different with Direct Laser Interference Patterning, DLIP) [10, 11]. This method makes use of the strong interference pattern of overlapped laser beams as a “stamp” to provide an entire surface area with dots, lines, or other patterns – in one shot. It thus saves time, allows for patterning speeds of up to 1 m2/min and does it without an elaborate pre- or post-treatment [10, 12]. The following article intends to outline how the method works, which structures can be generated, and how the complex multi-scale structures that nature developed over millions of years can be replicated in only one step.

Ob Fingerabdruck, Schmetterlingsflügel oder Lotusblatt, in der belebten Natur gibt es keine zufälligen Oberflächen. Über ihre Oberflächen steuern Tiere und Pflanzen ihre Benetzbarkeit, ihren Schwimmwiderstand, ihr Aussehen und vieles mehr. Die Evolution hat diese Oberflächen optimiert und für jeden Bedarf eine passende Mikrostruktur entwickelt. Umso erstaunlicher ist es, dass der Mensch sich bei seinen technischen Oberflächen auf zufällige Rauigkeiten oder „glatte“ Oberflächen beschränkt. Mangelnder Anreiz ist sicherlich nicht das Problem: Strukturierte Oberflächen haben bereits bewiesen, dass sie Reibung und Verschleiß optimieren [1, 2, 3, 4], elektrische Kontakte verbessern [5, 6], Implantate biokompatibel machen [7, 8], gefährliche Bakterien abhalten [9] und vieles mehr. Woran liegt es dann, dass wir uns weiterhin auf Schleifen, Polieren, Sandstrahlen oder Ätzen verlassen? Das Problem liegt wie so oft in der Wirtschaftlichkeit. Interessante Strukturen, wie die der Feder in Bild 1 herzustellen ist möglich, benötigt für gewöhnlich allerdings präzise Bearbeitungstechniken, um die feinen Strukturen im Mikro- und Nanometerbereich erzeugen zu können. Das ist aufwendig, kostet Zeit und ist nicht ohne Weiteres in einen Fertigungsprozess integrierbar. Die direkte Laserinterferenzstrukturierung (Direct Laser Interference Patterning: DLIP) ändert das [10, 11]. Die Methode nutzt das starke Interferenzmuster überlagerter Laserstrahlen als „Stempel“, um mit einem Schuss gleich eine ganze Fläche mit Punkten, Linien oder anderen Mustern zu versehen. Das spart Zeit und ermöglicht Strukturierungsgeschwindigkeiten von bis zu 1m2/min ohne aufwendige Vor- oder Nachbehandlung [10, 12]. Der folgende Artikel soll erläutern, wie die Methode funktioniert, welche Strukturen erzeugt werden können und wie die komplizierten mehrskaligen Strukturen, die die Natur über Jahrmillionen entwickelt hat in nur einem Schritt nachgebaut werden können.