Kleine Noppen, großer Durchblick

Wissenschaftler nutzen das Prinzip des Mottenauges, um Gläser zu entspiegeln

Die ideale Glasscheibe ist unsichtbar. Doch gewöhnliches Glas wirft selbst bei senkrechtem Lichteinfall etwa acht Prozent der Strahlen zurück. Dem Phänomen der Reflexion haben wir es zu verdanken, daß wir im täglichen Leben nicht geradewegs durch jede Glastür marschieren.

In den meisten Fällen empfinden wir Spiegelungen jedoch als störend, sei es auf der Brille oder auf dem Computermonitor. Bei Solarzellen senkt die Reflexion die Energieausbeute. Deshalb werden Glasflächen "entspiegelt".

Forscher vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sich transparente Materialien direkt entspiegeln lassen. Statt sie zu beschichten, wird den Folien und Gläsern eine sehr feine Oberflächenstruktur aufprägt.

Als Vorbild diente das Auge der Motte. Die will bei Nacht möglichst viel sehen und dabei selbst nicht gesehen werden. Ihr Entspiegelungsverfahren: Die Oberfläche des Mottenauges ist mit winzigen konischen Zäpfchen versehen. Weil diese Zäpfchen kleiner sind als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes, können die Lichtstrahlen diese Strukturen nicht auflösen. Damit ändert sich der Brechungsindex nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich. Es gibt also keine definierte Grenzfläche zwischen Auge und Luft und damit auch keine Spiegelung.

Um den Mottenaugeneffekt technisch zu reproduzieren, mußten sich die Forscher tief ins Reich des Kleinen begeben. Die Zäpfchen durften nicht größer sein als 300 Nanometer, also 300 millionstel Millimeter. Mechanisch ist so etwas nicht zu schaffen. Die Freiburger bedienten sich einer Methode, mit der auch holographische Bilder erzeugt werden: Durch die Interferenz zweier Laserstrahlen kann man sehr feine Streifenmuster erzeugen. Zwei solche Streifenmuster, um 60 oder 90 Grad verdreht, ergeben ein Raster. Dieses brennt man in einem lithographischen Verfahren in eine Schicht aus Fotolack ein, so daß eine Berg-und-Tal-Landschaft entsteht. Von der wird dann wiederum ein metallischer "Abzug" genommen, der viele Male als "Master" zum Prägen von Folien eingesetzt werden kann.

Das Verfahren selbst war nicht neu. Auf kleinen Flächen war das schon oft praktiziert worden. Weil man aber zwei Werkstücke mit Mottenaugenstruktur nicht aneinanderfügen kann, ohne daß die Kanten sichtbar werden, ist es wichtig, eine möglichst große Fläche der Mikrostrukturen in einem Arbeitsgang zu erzeugen. Darin bestand die Pioniertat der Fraunhofer-Forscher: Sie schaffen heute Flächen von der Größe eines A3-Blattes mit zwei Billionen winziger Noppen - nicht zufällig das Format der gängigen Computermonitore.

Ansehen kann man den Freiburger Folien die Mikrostrukturen auf ihrer Oberfläche nicht - sie sind transparenter als "glatte" Folien. Auch fühlen sich die Noppenfolien glatter an, obwohl sie streng genommen rauher sind.

An winzigen Strukturen im Mikro- und Nanometermaßstab arbeiten viele Labors auf der ganzen Welt. So machte das im Forschungszentrum Karlsruhe aufgenommene Foto einer Ameise Schlagzeilen, die ein winziges Zahnrädchen auf dem Fühler balanciert. Ein Meisterwerk der Präzisionstechnik sicherlich - nur weiß kaum jemand, was man mit solchen Minibauteilen anfangen soll. Anwendungen für Mikrostrukturen bieten sich dagegen in der Oberflächentechnik. Voraussetzung dafür ist es, die winzigen Strukturen nicht nur auf begrenztem Raum zu erzeugen, sondern auf großen Flächen. Und das noch mit Verfahren, die preiswert genug sind für die Massenproduktion.

Bei den Freiburger Folien ist das der Fall - die Fraunhofer-Ingenieure kooperieren bereits mit mehreren Unternehmen, etwa mit der Dresdner Firma Fresnel Optics, die flache Linsen für Overheadprojektoren herstellt. Was weitere Kooperationen angeht, hält sich Andreas Gombert vom ISE bedeckt: "Sicherlich ist auch der Automobilbereich vielversprechend." Man liegt wohl nicht ganz falsch, wenn man davon ausgeht, daß sich die Mottenaugentechnik hervorragend für die Entspiegelung des Armaturenbretts und anderer Displays im Auto eignet.

Um derart große Flächen mit einer präzisen Zäpfchenstruktur zu versehen, ist ein ziemlicher Aufwand nötig: Die Wände des ISE-Labors sind mit schallschluckenden "Eierkartons" aus Schaumstoff verkleidet - das Wirkungsprinzip des Mottenauges in größerem Maßstab. Die Schallwellen kommen wie die Lichtwellen nicht zwischen die kleinen Strukturen. Wenn die Laser ihre Arbeit tun, darf kein Mensch im Raum sein. Denn selbst wenn er sich still verhielte, könnte die Wärme seines Körpers die Raumtemperatur um ein hundertstel Grad ansteigen lassen - und schon wäre die Präzision dahin. Alle Apparaturen ruhen auf separaten Fundamenten, um von den Vibrationen des Gebäudes nicht beeinflußt zu werden.

Gerade in der Optik zeigt sich, wie sehr die Oberflächenstruktur eines Materials dessen Eigenschaften beeinflußt. Wenn eine Glasoberfläche statt der Nanonoppen mit kleinen Pyramiden strukturiert wird, ist sie nicht mehr transparent, sondern reflektiert das Licht total - so wie die "Katzenaugen" beim Fahrradrücklicht. Eine ideale Beschichtung etwa für Verkehrszeichen. Andere Geometrien können das Licht auf pfiffige Weise umlenken. So lassen sich etwa Oberlichter vorstellen, die auch die hinterste Ecke eines Zimmers noch mit Tageslicht ausleuchten. Oder Fenster, die zwar durchsichtig sind, aber schräg einfallendes Sonnenlicht ausblenden.

Für solche Effekte muß das Glas allerdings über winzige Prismenstrukturen verfügen, die sehr exakt geschnitten sind. Dafür ist das holographische Verfahren nicht geeignet - mit ihm kann man keine beliebigen Formen erzeugen, sondern nur wellenförmige Muster. Aber auch das direkte Einbrennen von Strukturen mit einem Laser ist nicht genau genug - ein Laser schmilzt das Material immer ein wenig an, so daß sich automatisch Unschärfen und Rundungen ergeben. Für exakte Arbeiten muß man immer noch auf traditionelle spanabhebende Techniken wie Bohren und Fräsen zurückgreifen - mit entsprechend winzigen Werkzeugen. Experten dafür sind die Forscher am Aachener Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT). Sie haben eine Maschine entwickelt, mit der sich winzige Strukturen in Metall fräsen lassen. Besonders stolz ist der Abteilungsleiter Stephan Fischer auf eine Demonstrationsarbeit, bei der seine Mitarbeiter mit einem Diamantkopf feinste Stege aus einem Werkstück herausgefräst haben: Sie sind nur anderthalb Mikrometer breit - bei einer Höhe von 200 Mikrometern. Die Rauheit solcher Strukturen beträgt nur wenige Nanometer.

Auch im Aachener Labor müssen aufwendig alle Störfaktoren beseitigt werden, wenn die 650000 Mark teure Fräsmaschine ihre Spuren auf dem Werkstück zieht. Auch sie ruht in einem klimatisierten Raum auf einem eigenen Fundament, alle drehenden Teile sind in Öl gelagert. Weil die Strukturierung eines einzigen Werkstücks mehrere Stunden dauert, läuft die vollständig programmgesteuerte Maschine vornehmlich an Wochenenden, wenn kein Mitarbeiter durch seine Anwesenheit die Präzisionsarbeit stören kann.

Die Aachener Fraunhofer-Forscher können mit der jetzigen Maschine maximal eine Fläche von Postkartengröße bearbeiten. Darauf passen immerhin etwa 600Millionen Pyramiden der kleinsten Sorte. Trotzdem wollen Fischer und seine Kollegen größere Flächen schaffen - darin liegt das Rezept für einen wirtschaftlichen Erfolg. Zusammen mit dem Freiburger ISE und dem Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) in Itzehoe bemühen sie sich um eine Förderung von drei Millionen Mark von der Zentrale der Fraunhofer-Gesellschaft (FhG) in München. Die bekommen sie nach den FhG-Richtlinien dann, wenn sie glaubhaft machen können, das Anderthalbfache dieser Summe durch Industrieaufträge wieder einspielen zu können. Die Aussichten sind gut - 20 Firmen haben bereits ihren Willen zur Kooperation bekundet.

Wie im Falle des Mottenauges liefert die Natur viele Beispiele für Oberflächen, die durch winzige Strukturen überraschende Eigenschaften bekommen. Das Blatt der Lotosblume etwa hat besonders geformte Noppen, die dafür sorgen, daß Verunreinigungen leicht abgespült werden. Die Haut des Haifischs weist feine Rillen auf, die für günstigere Strömungseigenschaften sorgen. All diese Vorbilder lassen sich technisch imitieren. Noch allerdings geht die Natur bei der Erzeugung von Mikrostrukturen erheblich eleganter vor als der Mensch: Sie muß weder fräsen noch bohren, noch lasern - sie läßt ihre Spezialoberflächen einfach wachsen.