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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 10 / Mathematik und Naturwissenschaften  → Institut für Physik  → Experimentalphysik / Cluster und Nanostrukturen  → Dissertationen 

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http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2006051812008

Titel: VUV-Laserablation von Spinnenseide
Autor(en): Koch, Markus
Schlagworte (SWD): SpinnenSeideVakuumultraviolettLaserablationOberflächenstruktur
Klassifikation (DDC): 500 - Naturwissenschaften (Natural sciences and mathematics)
Erscheinungsdatum: 18-Mai-2006
Zusammenfassung: Spinnenseide gehört zu den stabilsten bekannten Polymerverbindungen. Spinnfäden können bis auf das Dreifache ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden, bevor sie reißen, und dabei mit rund 160 MJ/m³ mehr als dreimal soviel Energie absorbieren wie die stärkste synthetisch hergestellte Faser Kevlar (50 MJ/m³). Dabei weisen Spinnfäden mit 2 bis 5 Mikrometer nur ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares auf. Das präzise, berührungslose Bearbeiten von Spinnenseide ist für verschiedene technische Anwendungen interessant, insbesondere wenn dabei ihre außergewöhnlichen Eigenschaften erhalten bleiben. Könnten die von Natur aus dünnen Seidenfäden gezielt in ihrem Durchmesser verringert werden, so wären sie unter anderem in der Mikroelektronik einzusetzen. Hier könnten sie als Trägermaterial für eine dünne, elektrisch leitfähige Schicht fungieren. Man erhielte Nanodrähte, die auch in mechanisch besonders belasteten Mikroelektronikbauteilen (MEMS) Verwendung finden könnten. In dieser Arbeit wird die Verwendung der laserinduzierten Ablation zur gezielten Bearbeitung von Haltefäden der Schwarzen Witwe (Latrodectus hesperus) beschrieben. Eingesetzt wurde ein VUV-Excimerlaser vom Typ LPF 205 (Lambda-Physik, Göttingen) mit einer Wellenlänge von 157 nm und einer Pulsdauer von 18 ns. Eine berührungslose Laserbearbeitung bei 157 nm erlaubt einen effizienten und präzisen Abtrag von Material durch Ablation aufgrund der geringen optischen Eindringtiefe von unter 100 nm oberhalb einer Schwellenfluenz (Energie/Fläche) von Φth=29 mJ/cm², ohne dabei das umgebende Material thermisch zu beeinträchtigen. Parallel zur Ablation setzt allerdings eine wellenförmige Oberflächenstrukturierung auf der Faseroberfläche ein, wodurch die mechanische Belastbarkeit der Faser entscheidend geschwächt wird. Die Ursache hierfür liegt im Abbau materialbedingter Spannungsfelder („stress release“) innerhalb einer durch das Laserlicht induzierten dünnen Schmelzschicht. Im Rahmen dieser Arbeit ist es nun gelungen, diese Strukturen durch einen anschließenden Glättungsprozeß zu entfernen. Dabei wird auf der bestrahlten Oberfläche mittels Laserlichts eine glatte Ablation erzielt. Mit feinerer Abstufung dieser Prozeßschritte konnte der Durchmesser des verwendeten Spinnenseidefadens zum Teil um 70 Prozent bis auf ca. 750 nm verringert werden. Durch Zugfestigkeitsexperimente wurde belegt, daß die mechanischen Eigenschaften der so bearbeiteten Spinnenseide weitgehend erhalten bleiben. Die im Rahmen dieser Arbeit angewandte Methode erlaubt somit eine präzise Laserablation von Spinnenseide und ähnlichen hochabsorbierenden Materialien, ohne deren Kernsubstanz in ihrer Beschaffenheit zu verändern.Spider silk is among the strongest polymeric materials known. These fibres can be tripled in length before breaking and can absorb about 160 MJ/m³ — more than three times the amount of energy absorbable by the best man-made fibre, Kevlar (50 MJ/m³). Having a diameter of 2-5 µm, they are ten times smaller than human hair. Fibres with even smaller diameters could be obtained via a precise contact-free process. These would be very attractive as carriers for a thin, electrically-conducting layer. These nano-fibres could also be integrated into MEMS devices requiring mechanically loaded sub-components. In this work we describe the use of laser ablation for processing dragline silk of the Black Widow Spider. All samples were exposed to a 157 nm vacuum ultraviolet (VUV) excimer laser (Lambda Physik LPF 205) with a pulse duration of 18 ns. Laser ablation at 157 nm allows efficient and well-controlled material removal above the ablation threshold (Φth = 29 mJ/cm²) without causing thermal damage to the substrate, due to the small penetration depth (100 nm) of the VUV-light into the fibre. However, during the ablation, ripples were formed along the surface of the silk fibre which weakened the thread. These are caused by the relaxation of intrinsic stresses during the process. In this work it has been shown, that these ripples can be systematically removed in a subsequent smoothing step using laser irradiation at an angle oblique to the fibre. In this way, the ripples were eliminated, leaving a uniform surface along the entire length of the fibre exposed to the laser. By finer gradation of these steps, a 70% reduction in spider silk thread diameters was achieved, resulting in fibres with diameters in the sub-micrometer region, down to approximately 750 nm. Tensile tests showed that the mechanical properties of the ablated silk were nearly identical to those of the original fibres. Thus, in this work, a method has been developed for the precise laser processing of spider silk and other highly absorbing materials without affecting the bulk material properties.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2006051812008
Bemerkungen: Die Arbeit entstand am Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie, Göttingen, Arbeitsgruppe Laserchemie.
Sammlung(en):Dissertationen

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