SPP 1327: Optically Generated sub-100-nm Structures for Biomedical and Technical Applications
Final Report Abstract
Ziel des Schwerpunktprogramms war die Erforschung und beispielhafte Anwendung der grundlegenden physikalischen, optischen und chemischen Prozesse, die in der Nanostrukturierung und Nanofunktionalisierung von Werkstoffen und Oberflächen mit nichtlinearen Laserprozessen auftreten. Dabei sollten die zum Zeitpunkt der Einrichtung des Schwerpunktprogramms vorhandenen Ergebnisse, die weitgehend auf empirische Vorgehensweisen basierten, durch eine systematische Analyse der Wechselwirkungsvorgänge und nichtlinearen Absorptionsphänomene von Ultrakurzpulslasern verallgemeinert und damit die Basis für eine zielgerichtete ortsselektive und reproduzierbare Nanostrukturierung für unterschiedliche technische und biomedizinische Anwendungsfälle geschaffen werden. Als quantitativ anspruchsvolles Ziel wurde bei der Auswahl der Teilprojekte definiert, die adressierten Strukturen auf unter 100 nm und damit deutlich jenseits des klassischen Beugungslimits zu begrenzen. Die Voraussetzungen für die Nanostrukturierung waren wesentlich dadurch gegeben, dass neuartige Strahlquellen mit in einem großen Parameterraum einstellbaren zeitlichen und energetischen Eigenschaften zur Verfügung standen und über die Laufzeit des Schwerpunktprogramms kontinuierlich weiterentwickelt wurden, die eine weitgehend flexible Gestaltung der Energiedeposition im Werkstück in Ort und Zeit ermöglichen. Damit können prinzipiell physikalischer Wechselwirkungsmechanismen auf atomarer und molekularer Ebene durch Mehrphotonenprozesse angeregt werden, die neuartige Strukturierungs- und Funktionalisierungsergebnisse ermöglichen. Diese lassen sich somit gezielt auf die Erfordernisse technischer und biomedizinischer Fragestellungen anpassen. Die sich daraus ergebenen Fragestellungen von der Modellierung der Prozesse über neuartige Strukturierungsmethoden bis hin zur messtechnischer Charakterisierung der Strukturen sind im Schwerpunktprogramm adressiert worden. Die geförderten Teilprojekte wurden überwiegend in interdisziplinären Kooperationen bearbeitet um den Herausforderungen auf der natur-, ingenieur- und lebenswissenschaftlichen Seite gerecht zu werden. Die Kooperationen haben sehr gut funktioniert und können als Erfolgsfaktor für dieses SPP gewertet werden. Die Vielfalt der international hochrangigen Publikationen in einer großen Bandbreite verschiedener Journals ist hierfür ein weiterer Beleg. Die in den Teilprojekten untersuchten Prozesse waren ebenso vielfältig. Das Spektrum reichte von der direkten Strukturierung von Oberflächen über die Erzeugung von beliebigen 3D-Strukturen mittels Multiphotonenpolymerisation bis hin zur Generierung nanopartikulärer Strukturen und die Modifikation im Innern transparenter Werkstoffe. In vielen Teilprojekten konnte die avisierte Grenze von 100 nm für Einzelstrukturen erreicht werden. Einige Teilprojekte haben sich dem Ziel, ausgehend von deutlich größeren Strukturen, sehr stark angenähert und damit ebenfalls erfolgreiche Beiträge zum Wissenschaftsgebiet liefern können. Die wissenschaftlichen Ergebnisse wurden in einem Open Access-Buchprojekt am Ende der zweiten Förderphase publiziert: Optically Induced Nanstructures, De Gruyter, 2015. Darüber hinaus sind ca. 120 Publikationen in Peer Reviewed Journals entstanden. Zusammenfassend hat das SPP erhebliche Fortschritte im Verständnis der Nanostrukturierung mit Lasern bewirkt. In der internationalen Sichtbarkeit hat die Einrichtung des SPP die deutsche Forschung in diesem Gebiet in eine führende Rolle gebracht.
Publications
- “Periodic nanostructures on Si(100) surfaces generated by high-repetition rate sub-15 fs pulsed near-infrared laser light”, Optics Letters, 2012, 37, 190–192
M. Straub, M. Afshar, D. Feili, H. Seidel and K. König
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F. Burmeister, U.D. Zeitner, S. Nolte, A. Tünnermann
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.20.007994) - „Nanoparticle formation in a cavitation bubble after pulsed laser ablation in liquid studied with high time resolution small angle x-ray scattering“, Applied Physics Letters, vol. 101, 2012, pp. 103104
S. Ibrahimkutty, P. Wagener, A. Menzel, A. Plech, S. Barcikowski
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4750250) - „Femtosecond-laser processing of nitrobiphenylthiol self-assembled monolayers“, Journal of Applied Surface Science, vol. 278, 2013, pp. 43-46
A. Schröter, S. Franzka, J. Koch, B.N. Chichkov, A. Ostendorf, N. Hartmann
(See online at https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.01.170) - „Formation mechanism offemtosecond laserinduced high spatial frequency ripples on semiconductors at low fluence and high repetition rate“, Journal of Applied Physics, 2013, vol. 113, pp. 183503
R. Le Harzic, F. Stracke, H. Zimmermann
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4803895) - „Formation of periodic disruptions induced by heat accumulation of femtosecond laser pulses“, Optics Express, 2013, vol. 21, pp.15452-15463
S. Richter, S. Döring, F. Burmeister, F. Zimmermann, A. Tünnermann, S. Nolte
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.21.015452) - „Multiphoton polymerization using optical trap assisted nanopatterning“, Applied Physics Letters, 2013, vol. 102, pp. 243108
K. Leitz, Y. Tsai, F. Flad, et al.
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4811704) - „Short laser pulse nanostructuring of metals: direct comparison of molecular dynamics modeling and experiment“, Journal of Applied Physics A, 2013, vol. 111, pp. 675
D.S. Ivanov, A.I. Kuznetsov, V.P. Lipp, B. Rethfeld, B.N. Chichkov, M.E. Garcia, W. Schulz
(See online at https://doi.org/10.1007/s00339-013-7656-9) - „Simulation based optimization of scatterometric signatures by designed near field structures“, Proceedings of SPIE Modeling Aspects in Optical Metrology IV, vol. 8789, 2013, pp 87890S
V. Ferreras Paz, K. Frenner, W. Osten
(See online at https://doi.org/10.1117/12.2020569) - „Femtosecond laser-induced periodic surface structures on steel and titanium alloy for tribological applications“, Journal of Applied Physics A, 2014, vol. 117, pp. 103-110
J. Bonse, R. Koter, M. Hartelt, D. Spaltmann, S. Pentzien, S. Höhm, A. Rosenfeld, J. Krüger
(See online at https://doi.org/10.1007/s00339-014-8229-2) - „Nonlinear-optical point light sources through field enhancement at metallic nanocones“, Optics Express, 2014, vol. 22, no. 13, pp. 15484-15501
P. Reichenbach, A. Horneber, D. Gollmer et al.
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.22.015484) - Optically Induced Nanstructures, De Gruyter, 2015, ISBN 978-3-11-033718-1
Karsten König, Andreas Ostendorf (eds.)
(See online at https://doi.org/10.1515/9783110354324) - „Nanofabrication of Tailored Surface Structures in Dielectrics Using Temporally Shaped Femtosecond-Laser Pulses“, ACS Applied Materials and Interfaces, vol. 7, no. 12, 2015, pp. 6613-6619
J. Hernandez-Rueda, N. Götte, J. Siegel, M. Soccio, B. Zielinski, C. Sarpe, M. Wollenhaupt, T. A. Ezquerra, T. Baumert, J. Solis
(See online at https://doi.org/10.1021/am508925m) - „Software-aided automatic laser optoporation and transfection of cells“, Scientific Reports, vol 5, 2015, pp. 11185
H.G. Breunig, A. Uchugonova, A. Batista, K. König
(See online at https://doi.org/10.1038/srep11185) - „Surface Topography Guides Morphology and Spatial Patterning of Induced Pluripotent Stem Cell Colonies“, Stem Cell Reports, vol 9, no 2, 2017, pp. 654-666
G. Abagnale, A. Sechi, M. Steger, Q. Zhou, C.-C. Kuo, G. Aydin, C. Schalla, G. Müller- Newen, M. Zenke, I.G. Costa, P. van Rijn, A. Gillner, W. Wagner
(See online at https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2017.06.016)
