Struktur-Eigenschaftskorrelation von 3D-Mikrostrukturen, hergestellt mit Hilfe von Zweiphotonenpolymerisation

Abstract

Im Forschungsgebiet der Materialwissenschaften stellt die Bestimmung von Materialkennwerten wie E-Modul, Zugfestigkeit, Bruchdehnung und dergleichen heutzutage keinerlei Probleme mehr dar.<br />Etwas anders verhält es sich allerdings bereits wenn die Größe der zu testenden Probe kleiner (im Bereich von wenigen Millimetern) wird - viele der klassischen Materialprüfverfahren sind dann nicht mehr anwendbar. Bauteile bzw. Strukturen die mit Hilfe der Zweiphotonenpolymerisation (2PP) hergestellt wurden weisen eine Größe im Mikrometerbereich auf - hierfür sind keine der klassischen Prüfverfahren anwendbar. Jedoch sind geeignete Beurteilungsmethoden für die Materialentwicklung (Materialien für 2PP sind heutzutage noch im Entwicklungsstadium) von großer Bedeutung. Daher war es Ziel der hier vorliegenden Dissertation, geeignete Methoden zu erarbeiten, welche eine Charakterisierung von Materialien oder einzelner Materialkomponenten (Monomer oder Photoinitiator) hinsichtlich ihrer Eignung für die 2PP ermöglichen.<br />Die drei Methoden unterscheiden sich signifikant hinsichtlich des Mess- oder Prüfergebnisses, der Anwenderfreundlichkeit und dem Aufwand zur Durchführung und Auswertung der Messung. Während Methode 1 auf der Beurteilung des optischen Erscheinungsbildes der hergestellten Strukturen basiert und damit kein quantifizierbares Ergebnis liefert, ist bei Methode 2 und Methode 3 ein Messwert das Ergebnis der Prüfprozedur. Bei Methode 2 wird der Doppelbindungsumsatz mit Hilfe von FTIR-Spektroskopie gemessen, womit eine direkte Aussage über die Reaktivität der Materialformulierung getroffen werden kann. Methode 3 wiederum beruht auf der Messung des E-Moduls. Dafür wird der Kragarm eines Mikro-Biegeträgers mit Hilfe eines Nanoindenters ausgelenkt und die entsprechenden Signale aufgezeichnet.<br />Die quantifizierbare Messung von Materialeigenschaften (Doppelbindungsumsatz und E-Modul) anhand von Proben, die mittels Zweiphotonenpolymerisation hergestellt wurden, stellt eine absolute Neuheit dar und kann neue Einblicke in die exakten Abläufe der Zweiphotonenpolymerisation liefern.<br />

In the research field of materials sciences, the determination of material properties such as Young's modulus, tensile strength, elongation at break and the like is done on a routine basis.<br />However, when the size of the available test sample gets smaller (in the range of a few millimeters) many of the classic material testing methods are no longer applicable. Components or structures which were fabricated using two-photon polymerization (2PP) are micrometer scale - traditional testing methods are no longer applicable. It was therefore the aim of this thesis to develop routines which allow a characterization of materials or material components (monomer, photoinitiator) with respect to their suitability for the two-photon process.<br />The three methods differ significantly in terms of the measurement result, the user friendliness and the effort for evaluation of the measurement. While the first method is based on optical assessment of manufactured structures and thus provides no quantifiable results, method 2 and method 3 give a quantifiable measure as result of the test procedure. In method 2, the double-bond conversion is measured by using FTIR spectroscopy giving direct information on the reactivity of the material formulation. Method 3 is based on the measurement of the Young's modulus of micro-cantilevers that are deflected by a standard nanoindentation device recording the load and the corresponding deflection signals.<br />Quantifiable measurement of material properties on samples that were fabricated by two-photon polymerization represents an absolute novelty and can provide new insights into the exact mechanisms of the two-photon polymerization.