Farbige Informationsspeicher aus Glas

Physikalische Grundlagenforschung auf dem Weg in die Wirtschaft

Der Sonderforschungsbereich (SFB) 418 erlebt bereits seine zweite Laufzeit und hat begründete Aussicht auf eine Verlängerung um weitere drei Jahre nach deren Abschluss Ende des Jahres 2002. Unter der Leitung von Prof. Dr. Heinrich Graener, der 1995 aus Bayreuth nach Halle berufen wurde und derzeit Dekan des Fachbereichs Physik der Martin-Luther-Universität ist, befassen sich drei PhysikerInnen (Dipl.-Phys. Monika Kaempfe, Dr. Jens Lange, Dr. Gerhard Seifert) mit dem Thema "Berührungslose Verformung metallischer Nanopartikel in Gläsern durch intensive Laserimpulse". Das Ausgangsmaterial ist simples Fensterglas. Am Ende stehen – vielleicht – farbige Flüssigkristalldisplays, nahezu unzerstörbare Speicherplätze für Daten und Bilder oder einfach nur sehr resistente farbige Markierungen in Gläsern der täglichen Verwendung. Dann wäre erfolgreich der Schritt getan von der theoretischen Grundlagenforschung zur praktischen Anwendung auf verschiedensten Gebieten von Wirtschaft und Industrie.

Wappen der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, mit intensiven Laserimpulsen in silberpartikelhaltiges Glas eingeschrieben. Durch die besondere Bestrahlungstechnik kann man anschließend mit Hilfe von polarisiertem Licht jeweils eines der beiden Teilwappen "ausblenden".
Die beiden Aufnahmen zeigen die Extrempositionen.

"Wir Physiker müssen uns besser verkaufen", meint Professor Graener, "und damit auch die hallesche Universität als attraktiven Forschungsort bekannter machen." Im Hinblick auf die laserinduzierten Farbänderungen sind einige Schritte schon getan: ein Patent ist angemeldet, verschiedene Ergebnisse sind in anwendungsbezogenen Zeitschriften wie "Applied Physics Letters" und "Chemieingenieur-technik" publiziert, auf der Jahrestagung 1999 des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen) in Leipzig wurde das Projekt ausführlich vorgestellt, und auf der Hannovermesse 2000 werden die Hallenser "ihre" Polarisationsweiche präsentieren – in der Hoffnung, dort interessante und interessierte Praxispartner zu finden.

Die farbigen Flächen wurden alle mit dem gleichen Laser erzeugt. Die Unterschiede ergeben sich
durch nur geringe Veränderungen von Bestrahlungsintensität und Schreibgeschwindigkeit.
Bei Beleuchtung mit verschieden polarisiertem Licht lässt sich die Farbe jedes einzelnen Feldes variieren.

"Die physikalische Forschung einer jeden Arbeitsgruppe ist wunderschön, letztendlich liefern wir aber nur einzelne Bausteine", so der Leiter der Gruppe. "Uns fallen häufig mögliche Anwendungen ein. Ob diese sich dann auf dem Markt wirklich realisieren lassen oder bei welchen Prozessen die neue Technologie sinnvoll einsetzbar ist – da müssen die Praktiker uns unterstützen. Dazu müssen sie aber erst erfahren, was wir können ..."

Ein Blick in die "Werkstatt": hinter schwarzem Vorhang teure Technik und farbiges Glas. Bezahlt wurde die rund eine Million Mark für das Ensemble von hintereinandergeschalteten Lasern aus den USA nach Genehmigung des entsprechenden Antrags 1997 aus Hochschulbaufördermitteln, das heißt je zur Hälfte von Bund und Land. "Eintritt für Unbefugte verboten!", warnt ein Schild an der Tür, denn für Uneingeweihte können die Laserstrahlen sehr gefährlich werden. Zwar lassen sich die Geräte bis in Schulterhöhe mit schwarzen Schiebetafeln abdecken, doch wenn daran gearbeitet wird, ist das nicht möglich. Schließlich ist die Anlage empfindlich – man muss immer in der Lage sein, das eine oder andere Element nachzujustieren, um dann die Gläser in der gewünschten Intensität mit Laserlicht bestrahlen zu können.

Übrigens ist der scheinbar gleichmäßige blaue Laserstrahl aus unzähligen unendlich kurzen Einzelimpulsen zusammengesetzt: Man kann sich vorstellen, dass der Strahl einer Taschenlampe innerhalb einer Sekunde fast den Mond erreicht. Die verwendeten ultrakurzen Laserimpulse hingegen dauern, wie die Physiker sagen, nur 100 Femto-Sekunden (das sind 10-13 Sekunden). Dies entspricht einer Strecke, die nur einen Bruchteil eines Millimeters lang ist. Allein die schnelle Abfolge bewirkt, dass man diese Einzelimpulse als permanentes blaues Licht wahrnimmt. Ihre konkrete Wirkung hängt davon ab, welche Metallpartikel vorher in das Glas eingebracht wurden und wie hoch die Intensität der Laserstrahlen ist. Es wird mit Silber und Gold experimentiert, das die dünnen Gläser gelb bzw. rubinrot färbt. Das in Silbersalzlösung vorbereitete und anschließend erhitzte Glas kommt aus der Fachgruppe Glasphysik, von Dr. Klaus-Jürgen Berg (vgl. Wissenschaftsjournal "scientia halensis", Ausgabe 1/1994, S. 35 ff.), einige Goldglasproben aus dem Merseburger Institut für Werkstoffwissenschaft, von Prof. Dr.-Ing. Hans Roggendorf. Experimente an Kupferglas sind in Vorbereitung. In jedem Fall sieht man unter dem Mikroskop mittels verändertem Polarisationswinkel ganz unterschiedliche Farbeffekte. Anfangs- und Endzustand sind inzwischen dokumentiert, der Weg dazwischen, wie die Deformation der Metallpartikel geschieht, ist jedoch noch völlig ungeklärt. An der Beantwortung dieser Frage wird derzeit gearbeitet, das neue Experiment dazu gerade aufgebaut.

Wichtige Details für künftige Anwendungen der neuen Technologie sind einerseits der Umstand, dass die Veränderungen mitten im Glas stattfinden (also anders als Gravierungen, Ätzungen etc., die ja doch immer irgendwie beschädigt werden können), andererseits die Tatsache, dass sie berührungslos bei Raumtemperatur realisiert werden. Die erzielten Effekte sind bis zu mehreren hundert C° temperaturbeständig; erst bei über 500 C° würden die Informationen im Glas "gelöscht".

All das wird im März 2000 in Hannover anhand ausgewählter Exponate demonstriert, um den potentiellen neuen Produkten den Weg in den Markt zu bahnen.

Dass viele junge Wissenschaftler nur für begrenzte Zeit zu seinem Team gehören, sieht Professor Graener eher als Pluspunkt an. Er ist sicher: Im Widerstreit zwischen der Erfahrung der "Alten" und den neuen, unverbrauchten Ideen der "jungen Leute", "da entsteht Fortschritt!"

(Dr. Margarete Wein, 22. Februar 2000)

Nähere Informationen:
Prof. Dr. Heinrich Graener, Telefon: 0345 / 552 53 10, Fax: 0345 / 552 72 21
e-mail: graener@physik.uni-halle.de


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