Rasterkraftmikroskop
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Nanotomographie biologischer Materialien: Mit Nanotomographie auf der Basis der Rastersondenmikroskopie kann die räumliche Struktur mehrphasiger Materialien abgebildet werden. Hierfür wird die Probe durch chemisches Ätzen schichtweise abgetragen und nach jedem Abtragschritt mittels Rasterkraftmikroskopie abgebildet. Aus dem Stapel von Schichtbildern mit nur wenigen Nanometern Zwischenabstand kann die räumliche Struktur der Probe mit 10 nm Auflösung rekonstruiert werden. Die an polymeren Materialien entwickelten Methoden übertragen wir in aktuellen Arbeiten auf biologische Materialien, die eine sehr komplexe hierarchische Struktur besitzen. Wir konzentrieren uns dabei auf kollagenbasierte Materialien wie Knochen, Bänder und Knorpel. Hierfür werden geeignete Ätzprotokolle und neue Abbildungsverfahren der Rasterkraftmikroskopie entwickelt. Ein zentrales Ergebnis ist die erste nanoskalige Abbildung der räumlichen Anordnung einzelner Kollagenfibrillen in kortikalen humanen Knochen. Die Nanotomographie von Knochen, Bändern und Knorpel verspricht neuartige Einblicke in die Morphogenese dieser Gewebe, die in Zukunft auch für die Diagnostik natürlicher und krankhafter Veränderungen genutzt werden könnten. Abbildung nanoskaliger Deformationsprozesse in teilkristallinen Polymeren: Hierfür wurde ein in das Rasterkraftmikroskop integrierter Mikrozugversuch entwickelt, mit dem freitragende, nur wenige Mikrometer dicke Polymerfilme kontrolliert gedehnt und gleichzeitig Veränderungen der Gefügestruktur an der Oberfläche der Filme mittels Rasterkraftmikroskopie abgebildet werden. Die an elastomeren Polypropylenfilmen aufgenommenen Bildreihen zeigen eine Vielzahl unterschiedlicher Deformationsprozesse der kristallinen Lamellen: Verbiegung und Dehnung einzelner Lamellen, Bildung von Knicken bei Dehnung, sowie das Auseinanderbrechen einzelner kristalliner Lamellen in etwa 15 nm große Blöcke. Verzweigungen zwischen Lamellen und epitakitsch darauf gewachsene Tochterlamellen weisen feste Winkel auf, was als die Ursache für das mit diesen Experimenten entdeckte lokal auxetische Verhalten einzelner Lamellenverbünde identifiziert wurde. Mit einem in den Mikrozugversuch integrierten Kraftsensor kann der zeitliche Verlauf der mechanischen Spannung im Polymerfilm verfolgt werden. Dies ermöglicht die nanoskaligen Deformationsprozesse mit den mechanischen Eigenschaften des untersuchten Materials zu korrelieren. Tiefenprofile weicher Polymeroberflächen: Die Eigenschaften von Polymeroberflächen sind nicht für das Verständnis von Haftung und Reibung sondern auch in polymeren elektronischen Bauelementen von besonderer Bedeutung, da an ihnen die elektrische Kontaktierung und der Ladungstransfer in die elektrisch leitfähigen Polymerschichten erfolgt. Mittels amplitudenmodulierter Rasterkraftmikroskopie wird die Form der Oberfläche zeilenweise mit einer sehr feinen, vibrierenden Spitze abgetastet, die dabei nur wenige Nanometer tief in die weiche Oberfläche eindringt. Dieses geringe Eindringen der Spitze wurde bisher als ein unerwünschter Nebeneffekt der Rasterkraftmikroskopie angesehen und die Darstellung der Oberfläche war nur als Fläche möglich. Wir haben gezeigt, wie das Eindringen der Spitze zur räumlichen Darstellung oberflächennaher Schichten weicher Polymeroberflächen genutzt werden kann. Die zerstörungsfrei gemessenen Tiefenprofile der mechanischen Eigenschaften der Oberfläche eines dünnen Polystyrol-block-Polybutadien Blockcopolymerfilms zeigen detailliert die Form der etwa 20 nm dicken, glasartigen Polystyrolmikrodomänen die in einer weichen, amorphen Polybutadienmatrix eingebettet sind. Ein weiteres Ergebnis ist die Abbildung einzelner kristalliner Lamellen in elastomerem Polypropylen, die unter einer etwa 10 nm dicken amorphen Deckschicht liegen. Auch an der Oberfläche des teilkristallinen, halbleitenden Polymers Poly-3-hexylthiophen, das für polymere elektronische Bauelemente verwendet wird, wurde eine wenige Nanometer dicke amorphe Deckschicht entdeckt, deren Dicke durch die thermische Behandlung der Probe beeinflußt werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Nanotomography with enhanced resolution using bimodal atomic force microscopy. Appl. Phys. Lett. 92, 143107 (2008)
C. Dietz, M. Zerson, C. Riesch, A. M. Gigler, R. W. Stark, N. Rehse, R. Magerle
- Surface properties of elastomeric polypropylenes studied with atomic force microscopy. Macromolecules 41, 9259 (2008)
C. Dietz, M. Zerson, C. Riesch, M. Franke, R. Magerle
- Locally auxetic behavior of elastomeric polypropylene on the 100 nm length scale. ACS Nano, Article ASAP
M. Franke, R. Magerle
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/nn200957g) - Strukturuntersuchungen an biologischen Materialien mit Hilfe rasterkraftmikroskopiebasierender Nanotomographie. Dissertation (2011)
Stephanie Röper
- Subsurface imaging of soft polymeric materials with nanoscale resolution. ACS Nano 5, 315 (2011)
E.-C. Spitzner, C. Riesch, R. Magerle
