So also sieht eine Zauberstunde in St. Paul, Minnesota, aus. Dr. Robert Finocchiaro, Leiter des Optics Technology Laboratory in der Zentrale der 3M Corporation, breitet seine magischen Utensilien vor sich aus: farblose Kunststoff-Folien.
Als erstes schaltet er seinen Laptop ein. Der Bildschirm ist zweigeteilt: Die linke Hälfte macht dem Begriff “Mattscheibe” alle Ehre – die rechte strahlt merklich heller. Dahinter steckt eine der Folien, die eng an der Bildschirm-Rückseite anliegt.
“Das ist unser Brightness-Enhancement-Film”, kommentiert der Physiker. “Derzeit werden weltweit kaum noch Laptops mit Flüssigkristall-Displays angeboten, die nicht damit hinterlegt wären. Dadurch steigt die Helligkeit des Bildschirms um 60 Prozent – oder man spart, bei der alten Lichtstärke, 20 bis 30 Prozent Energie. Zu Röhren geformt, kann man aus dieser Folie übrigens ,Light Pipes` machen und Tageslicht in fensterlose Räume leiten.”
Die nächste Nummer im Kabinett des Dr. Finocchiaro steht an. Diesmal drückt er dem Journalisten aus Deutschland eine Taschenlampe in die Hand, stellt sich ans andere Zimmerende und hält eine Pappe mit aufgeklebten Proben hoch.
“Diese Materialien werfen auffallendes Licht zur Lichtquelle zurück. Unten sind Produkte aus den letzten Jahren, oben unsere neueste Folie. Leuchten Sie mal! Welche scheint am hellsten?” Die oberste. Dies, kommentiert Finocchiaro, sei die am stärksten totalreflektierende Folie der Welt, die – auf Verkehrsschilder geklebt – auch bei Nieselregen und Dämmerung im Scheinwerferlicht gleißt.
Jetzt wickelt er von einer Folienrolle 30 Zentimeter ab, läßt aus einer Pipette einen Tropfen blau gefärbtes Wasser darauf fallen und demonstriert “gerichteten Flüssigkeitstransport”: Das blaue Naß setzt sich sofort in Marsch – als dünner blauer Strich, präzise in Längsrichtung. Rasch fingert der Laborleiter eine Schere vom Nachbartisch und schneidet das Stück ab. “Sonst würde dieser blaue Tropfen sich selbst immer weiter in die Rolle hineinpumpen”, erläutert er.
Ein professioneller Magier würde niemals neugierige Blicke hinter die Kulissen seiner Tricks gestatten. Doch der Forscher Finocchiaro enthüllt am Ende, was hinter all diesen Effekten steckt.
Am Werkstoff liegt es nicht: Es sind Standard-Kunststoffe wie Polyethylen und Polyurethan. Das Geheimnis steckt in der Oberfläche, erzeugt durch ein Herstellungsverfahren namens “Mikroreplikation”. Das heißt soviel wie: Bildung exakter Kopien in winzigsten Dimensionen.
Zu sehen ist mit bloßem Auge nichts. Ein bißchen rauh fühlen sich manche Folien an. Erst eine starke Lupe oder Aufnahmen mit dem Raster-Elektronenmikroskop (REM) zeigen: Wie dem LSD-Trip eines Geometrie-Professors entsprungen, dehnt sich Reihe um Reihe aus millionenfach vervielfältigten, identischen Formen – zwischen einem tausendstel und einem drittel Millimeter groß.
Beim vorgeführten Brightness-Enhancement-Film verläuft ein schier endloses Zick-Zack-Profil aus Berg- und Talzügen über die gesamte Folienbreite. Sie lassen nur senkrecht auftreffendes Licht direkt passieren. Schräg einfallendes Licht wird so lange hin und her reflektiert, bis es schließlich ebenfalls senkrecht auf die Folienoberfläche auftrifft. Effekt: Lichtverstärkung für den Betrachter.
Die totalreflektierende Folie bezieht ihre Rückstrahlkraft aus Myriaden winziger dreiflächiger Würfelecken: das Prinzip des “Katzenauges” hinten am Fahrrad, in mikroskopische Dimensionen übertragen. Die flüssigkeitsleitende Folie weist parallel stehende “Mäuerchen” aus Kunststoff auf, im Abstand von jeweils 200 Mikrometern (= 0,2 Millimeter). Zwischen ihnen zeigt das Mikroskop drei weitere, aber viel kleinere Mauerzüge. Der Effekt: ein Maximum an Kapillarkraft in den Vertiefungen dazwischen. Flüssigkeiten werden darin förmlich auf und davon gesogen. Damit ist das Repertoire nicht erschöpft. So dienen beispielsweise Bänder mit abgeflachten Mikropyramiden, die mit Mineralpartikeln gefüllt sind, zum Schleifen und Polieren von Metallen. Folien, auf denen sich schlanke Pyramidenstümpfe endlos aneinanderreihen, widerstehen – aufeinandergelegt – jedem Versuch, sie in Querrichtung auseinanderzuziehen: ein neues Prinzip für mechanische Verschlüsse.
Wir denken uns ständig neue Oberflächengestalten aus und fertigen Proben davon an”, sagt Finocchiaro. “Rillen, Zacken, alles mögliche. Und dann spielen wir damit. Wir fordern unsere Phantasie heraus: Was könnte man damit Nützliches anfangen? Andererseits nehmen wir natürlich Probleme bei den Anwendern zum Anlaß, uns zu fragen: Welche mikrostrukturierte Oberfläche könnte da Abhilfe schaffen?”
Der Spieltrieb zahlt sich für die 3M Corporation aus. Eine Milliarde Dollar hat “Minnesota Mining & Manufacturing” – so der ausgeschriebene Name – im letzten Jahr mit Mikroreplikations-Produkten verdient: lichtsammelnde, -leitende und -reflektierende Folien, rutschfeste Mouse-Pads, Hochleistungs-Schleif-bänder und anderes. Für das nahe Jahr 2000 plant Firmenchef Livio DeSimone, mindestens ein Viertel des Jahresumsatzes – 1996 waren das 14,2 Milliarden Dollar – mit dieser Technologie zu erzielen.
3M ist das einzige Unternehmen in den USA und weltweit, das diese Folien großtechnisch fertigt. Im deutschen Sprachraum hat sich noch nicht einmal der Verfahrensname Mikroreplikation herumgesprochen. Immerhin – die Idee, makroskopische Effekte durch mikroskopisch kleine, regelmäßige Oberflächenstrukturen zu erzeugen, ist auch diesseits des Atlantik offenbar keine Unbekannte: “Kunststoffe in mikroskopischen Dimensionen umzuformen, eröffnet vielfältige Möglichkeiten, beispielsweise optische Komponenten zu realisieren”, bekräftigt Physiker Dr. Antoni Picard. Er befaßt sich am Institut für Mikrotechnik Mainz (IMM) mit der Entwicklung mikrooptischer Strukturen: Auf daumennagelgroßen Kunststoffplättchen entstehen regelmäßige Raster aus Mikrolinsen, von denen bis zu 20, aneinandergereiht, auf einen Millimeter passen würden. Ziel: Kopplungsstücke für Glasfaser-Datenleitungen. “Mikroreplikation hat Zukunft”, findet Dr. Ullrich Steiner vom Lehrstuhl für Experimentalphysik der Universität Konstanz. Seine Gruppe erarbeitet neue Methoden, um einige Quadratzentimeter großen Kunststoff-Flächen eine Mikrostruktur zu verleihen. Neue Sensoren und Katalysatoren könnten am Ende des Weges stehen. Allerdings zielt Steiner auf Größenordnungen unterhalb von 100 Nanometern. Mit Mikro-Prägetechnik in Kunststoff, auf Wafern von jeweils zehn Zentimeter Durchmesser, verbindet auch Dr. Herbert Moser viel Positives: “Ich bin stolz auf die Kleinserienfertigung von optischen Gittern in unserem Hause. Diese Gitter haben 200 Nanometer Stufenhöhe und finden in Miniatur-Spektrometern Verwendung”, sagt er. Als Programm-Manager im Projekt Mikrosystemtechnik am Forschungszentrum Karlsruhe war er in die Mikrowelt abgetaucht, bevor er 1996 Projektleiter bei der neuen Synchrotron-Strahlungsquelle ANKA wurde. “Eine wichtige neue Methode”, urteilt Dr. Karl Knop. Die Mikrostrukturierung von Oberflächen ist auch sein Metier: Er leitet den Bereich Advanced Microsystems im CSEM-Forschungslabor in Zürich und Neuenburg. Das CSEM entwikkelt im Industrieauftrag unter anderem Beschichtungen, Folien, Mikrolinsen und komplette optische Mikrosysteme. Spezialität des Hauses: Miniatur-Fotokameras, gegen die die legendäre Agenten-Minox sich ausnimmt wie der Hecht gegen den Guppy.
So bringen etliche Forschungs-Institutionen weltweit Mikrostrukturen zuwege – auf einigen Quadratzentimetern Fläche. Doch für großtechnische Zwecke muß die geforderte Ultrapräzision auf Folien gewährleistet sein, die bis zu einem Meter breit und einen Kilometer lang sein können.
Mit der Imitation der High-Tech-Folien aus St. Paul, Minnesota, hat die weltweite Konkurrenz offenbar bislang kein Glück gehabt. Das freut Robert Appeldorn. Der seit 1996 pensionierte Ex-Forschungsleiter von 3M ist der Vater der Mikroreplikation. Und er weiß aus eigener Erfahrung, warum die anderen sich so schwer tun.
Anfang der sechziger Jahre entwarf der Optik-Spezialist erstmals eine foliendünne, federleichte Linse für tragbare Overhead-Projektoren.
Diese aus konzentrischen Ringen bestehende “Fresnel-Linse” sollte – der Pfiff an der Sache – in einem einzigen Arbeitsgang aus Kunststoff geprägt werden. Nur: keine kunststoffverarbeitende Firma sah sich in der Lage, sie zu fertigen. “Wir entschlossen uns, selbst ein Produktionsverfahren zu entwickeln”, erinnert er sich. Das war die Initialzündung zur Mikroreplikation.
“Als wir uns dazu näher mit prismatischen Strukturen auf Kunststoff befaßten, erlebten wir Überraschungen. Nicht nur, daß sich je nach Prismengröße die optischen Eigenschaften änderten. Je kleiner wir die Prismen machten, desto häufiger traten auch Effekte auf, die über die Optik hinausgingen. Zum Beispiel wandelte sich die Benetzbarkeit der Folie – oder sie begann plötzlich wahnsinnig zu kleben. Da begriffen wir allmählich, worauf wir gestoßen waren.”
Doch jetzt begannen die Probleme erst recht, denn: “Die Strukturelemente mußten sich in extremer Gleichförmigkeit wiederholen – wenn nicht, verwischten sich die Effekte.” In Zahlen: Die Abweichungen sollten unter fünf Prozent liegen.
Bei den kleinsten bislang bei 3M erprobten Strukturelementen – zirka einen Mikrometer winzig – heißt das: weniger als 50 Nanometer Abweichung vom Idealmaß. Das sind weniger als 200 Atomlagen Differenz zwischen dem ersten und dem tausendsten und dem millionsten Element. “Wir haben fast 20 Jahre hart gearbeitet, um einen gangbaren Fabrikationsprozeß zu finden”, stöhnt Appeldorn.
Die Firma hat das Verfahren nicht zum Patent angemeldet. Der Erfinder begründet: “Wir wollten vermeiden, daß einer anhand des veröffentlichten Verfahrenspatents die richtige Idee hat. Lieber riskieren wir, daß jemand irgendwo auf der Welt aus Zufall daraufkommt, wie’s geht – so wie wir.” Patentiert werden lediglich die Produkte.
Die 3M Corporation hütet ihr Geheimnis wie der Drache seinen Schatz. Zwar haben etliche Firmenangehörige mit der Herstellung von Mikroreplikations-Fabrikaten zu tun. Aber die meisten bekommen lediglich in einen Teilschritt des Verfahrens Einblick.
Fragt man Insider aus der kunststoffverarbeitenden Industrie nach ihren Mutmaßungen, dann gleichen sich die Aussagen: Es müsse vom Prinzip her ein Verfahren sein, bei dem eine halbflüssige Kunststoffschmelze zwischen zwei rotierende Walzen gepreßt wird und diese als feste Folie verläßt. Eine der Walzen müsse mit einer extrem präzise gearbeiteten Metallfolie bespannt sein, die das “Negativ” der gewünschten Oberfläche trägt.
Dabei gäbe es zwei große Schwierigkeiten. Erstens das Timing: Die prägende Walze muß ihr Kunststoff-“Positiv” präzise in der Millisekunde freigeben, in der die Schmelze fest genug geworden ist, um ihre Form zu behalten. Zweitens: Es darf möglichst kein Kunststoffrest in der sich weiterdrehenden Prägewalze haften bleiben, weil die Qualität des Produkts sonst Schaden nimmt.
Funktioniert das Verfahren der Mikroreplikation tatsächlich so? Roger Appeldorn schweigt sich aus. Gesprächig wird er an einem anderen Punkt: Er versteht nicht, daß über die Zusammenhänge zwischen Oberflächen-Topographie und Stoffeigenschaften noch so wenig bekannt ist.
“Das ist großenteils reine Grundlagenforschung”, sagt er. “Ich bin überrascht, daß es erst ein einziges Universitäts-Institut auf der Welt gibt, das sich schwerpunktmäßig mit diesem Thema befaßt – in Kanada, an der University of British Columbia in Vancouver.” Das von Prof. Lorne Whitehead geleitete Department for Structured Surface Physics wird inzwischen von 3M gesponsort.
Und noch etwas beschäftigt Roger Appeldorn immer wieder: “Mein Blick für die Dinge, die mich umgeben, hat sich grundlegend gewandelt. Früher habe ich mich gefragt, aus was für einem Material sie wohl bestehen. Heute frage ich mich ständig, wie wohl ihre Oberfläche aussieht.”
Thorwald Ewe
