MADISON / LONDON (IT BOLTWISE) – Hantang Qin erhält einen fünfjährigen NSF-CAREER-Zuschuss über 550.000 US-Dollar für laser-assistierte Hybrid-Nanofertigung. Sein System verbindet Elektrohydrodynamic-Inkjet-Druck mit einem Laser-Sinter-Schritt und ergänzt eine Qualitätsüberwachung per Laserbeugung. Ziel ist es, skaliert Qubit-Arrays auch in der Schwerelosigkeit zuverlässig herzustellen. Zusätzlich baut Qin eine VR-basierte Lernplattform, um praktische Fertigungs-Experimente außerhalb voller Labore zugänglich zu machen.
Die Hürde bei Qubits ist längst nicht nur die Physik der Quantenlogik, sondern die Werkbank dahinter. Wenn kleinste Bauteile in Nanostrukturen eingebettet werden sollen, entscheidet die Reproduzierbarkeit über die spätere Leistungsfähigkeit. Genau an dieser Stelle setzt Hantang Qin an: Der assoziierte Professor für Industrial- und Systems Engineering an der University of Wisconsin-Madison erhält einen fünfjährigen National-Science-Foundation-CAREER-Zuschuss über 550.000 US-Dollar, um eine neue Art laser-assistierter Hybrid-Nanomanufacturing-Systeme aufzubauen. Der Clou liegt darin, dass der Prozess nicht nur produziert, sondern zugleich eine Qualitätsüberwachung integriert, damit sich Fehler bereits während des Aufbaus erkennen lassen.
Technisch beginnt das Vorhaben bei einer Drucktechnik, die sich bewusst von klassischer 3D-Fertigung mit Schwerkrafteinfluss absetzt: Qin arbeitet mit elektrohydrodynamicem Inkjet-Drucken. Dabei extrudiert ein elektrisches Feld Tinten über Mikro- und Nanodimensionen statt über rein gravitationsgetriebene Strömungen. Für seine Forschung zur Fertigung elektronischer Komponenten im Raum hat sein Labor diese Abläufe mehrfach in Schwerelosigkeit getestet. Genau diese Mischung aus kontrollierter Materialabgabe und dem Vorteil des fehlenden Zusammenklappens spielt im Projekt eine zentrale Rolle: In den Untersuchungen wird beschrieben, dass Nanostrukturen unter Bedingungen ohne Gravitation weniger kollabieren, was insbesondere beim Aufbau komplexer Geometrien hilfreich sein kann.
Im nächsten Schritt kommt ein Laser-Sintering-Treatment hinzu, das den Hybridcharakter der Fertigung begründet. Laut Beschreibung soll dieser Laser-gestützte Prozess überschüssige Polymere entfernen und die 3D-Musterierung so verbessern, dass die elektrischen Eigenschaften der Bauteile steigen. Entscheidend ist dabei auch die zeitliche und prozesstechnische Kopplung: Laserbehandlung und Druck laufen nicht als zwei völlig getrennte Stationen, sondern werden zu einem zusammengeführten Ablauf gedacht, in dem sich die physikalischen Effekte gegenseitig beeinflussen. Qin formuliert das Problem deshalb folgerichtig als Grundlagenfrage: Wie verändern sich die relevanten Physikmechanismen, wenn zwei Prozesse in einem Schritt zusammengeführt werden, und wie lässt sich die Qualität dieses kombinierten Ergebnisses bewerten?
Damit die Qualität nicht nur visuell, sondern messtechnisch greifbar wird, soll eine Qualitätserkennung über Laserbeugung (Laser-Diffraction) integriert werden. Der Hintergrund ist banal und dennoch technologisch anspruchsvoll: Selbst bei nanoskaliger Vergrößerung reicht die optische Auflösung traditioneller Methoden oft nicht aus, um Strukturen direkt zuverlässig zu identifizieren. Das Projekt setzt stattdessen auf die Beugung eines Lasers durch den Nanojet beziehungsweise durch das mikroskopische Materialmuster. Dadurch entstehen Beugungs- und Interferenzmuster, die als größere, auswertbare Signaturen interpretiert werden können. In der Beschreibung wird deutlich, worauf Qin mit dem Ansatz abzielt: Aus dem Beugungsbild sollen sich Rückschlüsse auf das Geschehen im Nanojet ableiten lassen – mit dem Ziel, aus der Fertigung eine skalierbare Produktion plus integriertes Quality Control zu machen, damit am Ende bessere Quantengeräte entstehen.
Für Qubit-Arrays verschiebt das zwei wichtige Randbedingungen: Erstens ist das Problem beim Übergang von einzelnen Elementen zu Arrays im Kern nicht nur das „Herstellen“, sondern das „Zusammenstellen unter identischen Qualitätsbedingungen“. Qin betont, dass es derzeit schwer sei, Arrays zu realisieren, weil jedes kleine Einzelelement bereits extrem anspruchsvoll ist und sich Fehler beim Skalieren vervielfachen. Zweitens spielt der Herstellungsort eine aktive Rolle: Der All-Umgebung wird hier ein praktischer Nutzen zugeschrieben, weil ohne Gravitation Strukturen weniger kollabieren. Das eröffnet in der Darstellung sogar zwei Betriebsmodi, die für Systemarchitekten interessant sind: Bauteile könnten im Weltraum gefertigt und anschließend für Missionen eingesetzt werden, etwa zur Unterstützung von Satellitenreparaturen. Alternativ wäre auch denkbar, Arrays in der Schwerelosigkeit zu produzieren und zur weiteren Integration zurück auf die Erde zu bringen.
Neben dem quantenbasierten Ziel beschreibt Qin weitere potenzielle Einsatzfelder. Er sieht die Chance, den Ansatz langfristig auf medizinische Anwendungen auszuweiten, etwa auf Lab-on-a-Chip-Geräte, bei denen präzise Mikrostrukturen für Diagnostik und Bioprozesse entscheidend sind. Damit verbindet sich ein zweiter Teil des CAREER-Programms: Der Zuschuss ist nicht nur auf Forschung ausgerichtet, sondern enthält eine Bildungsdimension. Qin plant dafür eine virtual-reality-basierte Lehrplattform, die hands-on Lernformate vermittelt, ohne dass Studierende zwingend auf gut ausgestattete Forschungs- oder Testlabore angewiesen sind. Gerade in einer Disziplin, in der Fertigungswissen eng mit Prozesskontrolle verknüpft ist, kann eine solche Lernumgebung die Kluft zwischen theoretischer Ausbildung und praktischer Messtechnik verkleinern.
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