--- title: "LLNL-Forscher überwinden Hindernisse in der 3D-Nanofabrikation" url: https://www.voxelmatters.com/de/llnl-forscher-ueberwinden-hindernisse-in-der-3d-nanofabrikation/ date: 2026-01-08 modified: 2026-01-05 lang: de author: "Edward Wakefield" description: "Laut dem Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben Ingenieure und Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit der Stanford University einen bahnbrechenden Ansatz für die 3D-Nanofabrikation vorgestellt, der die Zwei-Photonen-Lithografie (TPL) von einer..." categories: - "AM-Forschung" - "Mikro-3D-Druck" - "Optik" tags: - "future" image: https://www.voxelmatters.com/wp-content/uploads/2026/01/AA1Sxmbl-640x480.jpeg word_count: 751 --- # LLNL-Forscher überwinden Hindernisse in der 3D-Nanofabrikation [Laut dem Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)](https://www.llnl.gov/article/53806/llnl-researchers-break-speed-scale-barriers-3d-nanofabrication-new-meta-optics-platform) haben Ingenieure und Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit der Stanford University einen bahnbrechenden Ansatz für die 3D-Nanofabrikation vorgestellt, der die Zwei-Photonen-Lithografie (TPL) von einer langsamen Technik im Labormaßstab in ein Fertigungswerkzeug im Wafermaßstab verwandelt, ohne dabei die Präzision im Submikrometerbereich zu beeinträchtigen. Die [in Nature veröffentlichte](https://urldefense.us/v3/__https:/www.nature.com/articles/s41586-025-09842-x__;!!G2kpM7uM-TzIFchu!y9G8iFQkQoSA1IOJ0bxZMzC2KDIdGxc1qpeUpTs6UrTV6PiFFnH-HYU6_O4uTqA-a_wZEMRUHmwDqRMg$) TPL-Plattform des Teams verwendet große Arrays von Metallinsen – speziell entwickelte, ultradünne optische Elemente –, um einen Femtosekundenlaser in mehr als 120.000 koordinierte Brennflecken aufzuteilen, die gleichzeitig über Bereiche im Zentimetermaßstab schreiben. Das auf Metallinsen basierende Verfahren erzeugt komplexe 3D-Architekturen mit minimalen Strukturgrößen von 113 Nanometern und erreicht einen mehr als tausendmal höheren Durchsatz als kommerzielle Systeme. „Als das 3D-Drucksystem zum ersten Mal im Maßstab von einem Zentimeter und dann im Maßstab von drei Zentimetern zu arbeiten begann, war es wirklich erstaunlich zu sehen, wie die Idee, die damals drei bis vier Jahre lang entwickelt worden war, Wirklichkeit wurde“, sagte Xiaoxing Xia, Materialingenieur und Hauptforscher am LLNL. „Als wir sahen, dass ein Druckvorgang mit einer Geschwindigkeit durchgeführt wurde, die hunderte bis tausende Male schneller war als bei unserem kommerziellen Drucker, wurde uns klar, dass ein Durchbruch gelungen war.“ Seit Jahren wird TPL wegen seiner Auflösung im Nanobereich geschätzt, aber da es auf Mikroskopobjektive angewiesen ist, war der druckbare Bereich auf wenige hundert Mikrometer beschränkt. Alles, was größer war, musste aus Tausenden von Kacheln zusammengesetzt werden, ein langsamer Prozess, der zu Ausrichtungsfehlern führte und verhinderte, dass TPL das Labor verlassen konnte. Der Metalens-TPL-Ansatz des Teams ersetzt das Mikroskopobjektiv durch eine gekachelte Anordnung von Metalinsen mit hoher numerischer Apertur, von denen jede wie ein Miniaturdrucker funktioniert. Anstatt einen einzelnen Strahl zu scannen, druckt das System Tausende kleiner Bereiche parallel, die alle nahtlos in einem Durchgang miteinander verschmelzen. Durch die Anordnung der Brennflecken im Metalens-Abstand anstatt sie in einem winzigen optischen Feld zu verdichten, vermeidet das System die Proximity-Effekte, die frühere Multi-Beam-Ansätze beeinträchtigten. ![LLNL researchers break barriers in 3D nanofabrication - transforming two-photon lithography (TPL) into a wafer-scale manufacturing tool.](https://www.voxelmatters.com/wp-content/uploads/2026/01/Ext_Metalitho_1200x800.jpeg) „Das bedeutet, dass TPL endlich das Potenzial für den Einsatz in der Industrie hat“, sagte Songyun Gu, Postdoktorand am LLNL und Erstautor der Veröffentlichung. „Bisher war es lediglich ein experimentelles Werkzeug für Forscher. Mit der Nanomanufaktur im Wafer-Maßstab haben wir das Potenzial, Nanomaterialien und Mikrogeräte auf die gleiche Weise herzustellen wie Computerchips, die zwar hochkomplex sind, aber zu sehr niedrigen Stückkosten in großen Mengen hergestellt werden können. Und Metaoptik ist genau die richtige Lösung dafür.“ Um Strukturen zu drucken, die nicht vollständig periodisch sind, integrierte das Team einen räumlichen Lichtmodulator, der die Intensität jedes Brennpunkts in Echtzeit anpasst. Das System kann Strahlen ein- oder ausschalten, die Linienbreite mit Graustufensteuerung einstellen und Strahlen so choreografieren, dass sie Schicht für Schicht größere Muster bilden. Was als Möglichkeit zum Ausgleich der Strahlintensität begann, eröffnete unerwartet eine weitaus größere Gestaltungsfreiheit. „Während des Projekts haben wir erkannt, dass wir durch dynamisches Ein- und Ausschalten der Brennpunkte und sorgfältige Planung der Druckbahn tatsächlich vollständig stochastische Strukturen mit einem hohen Grad an Parallelisierung drucken können“, sagte Xia. „Songyun [Gu] und [Mitautor] Sarvesh [Sadana] haben in einem einzigen Prozess 16 verschiedene mikroskopische Schachöffnungen gedruckt.“ Das Team nannte die Methode „Adaptive Meta-Lithography“, um die umfangreiche Unterstützung durch das [Advanced Manufacturing Laboratory des LLNL](https://www.voxelmatters.com/llnl-develops-additive-and-subtractive-3d-printing-resin/) zu würdigen. Der parallele und dennoch adaptive Ansatz ermöglicht es Metalens TPL, alles von Laserzielen mit Gradientendichte und [flexiblen Terahertz-Geräten](https://www.voxelmatters.com/llnl-3d-prints-chiral-helix-metamaterials-for-thz-applications/) bis hin zu Millionen von Mikropartikeln pro Tag herzustellen. Außerdem ermöglicht er die Schaffung komplexer modularer Architekturen für neue Technologien in den Bereichen Mikrofluidik, Quanteninformation, Mikroelektronik, Photonik, [Fusionsenergie](https://www.voxelmatters.com/ukaea-3d-prints-fusion-energy-components/) und Biomedizin. Besonders spannend für Forscher ist das Potenzial, die laufenden, transformativen Forschungs- und [Entwicklungsbemühungen des LLNL im Bereich des 3D-Drucks von Fusionsbrennstoffkapseln](https://www.voxelmatters.com/llnl-researchers-harness-3d-printing-for-fusion-energy/) und Quantencomputerchips mit gefangenen Ionen zu skalieren. Xia sieht die Konvergenz von Optik und additiver Fertigung als einen entscheidenden Schritt für dieses Gebiet. „Licht ist der feinste Meißel der Welt, um funktionale Materialien und Mikroarchitekturen herzustellen“, sagte er. „[Neue Wege zur Steuerung von Licht](https://www.voxelmatters.com/llnl-develops-additive-and-subtractive-3d-printing-resin/) werden die Herstellung von Materialien revolutionieren.“ Da immer leistungsstärkere Laser, größere Metalinsen-Wafer und schnellere Modulatoren verfügbar werden, glaubt das Team, dass Metalinsen-TPL in der Lage sein wird, noch komplexere Geräte mit weitaus höheren Geschwindigkeiten zu drucken und damit die 3D-Nanomanufaktur in Richtung Mainstream-Produktion im Wafer-Maßstab voranzutreiben. Diese Technologieplattform mit dem Namen MetaLitho3D wurde kürzlich mit dem 2025 R&D 100 Award ausgezeichnet, was das Potenzial für die industrielle Anwendung zur Lösung realer Probleme unterstreicht. Weitere Mitautoren sind Anna Guell Izard, Dongping Terrel-Perez, Sijia Huang, Travis Massey, Alex Abelson, Magi Mettry-Yassa, Wonjin Choi und Thejaswi Umanath Tumkur vom LLNL, Chenkai Mao, You Zhou und Jonathan Fan von der Stanford University sowie Wenjie Zhou, Hujie Yan, Ziran Zhou und Chiara Daraio vom Caltech.