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Professur Chemische Physik
Chemische Physik

Mikrostruktur eines synthetischen Gummis. Aus: R. Magerle, Phys. Rev. Lett. 85, 2749 (2000); © 2000 American Physical Society.

Struktur und Eigenschaften polymerer Materialien auf dem Nanometermaßstab sind unser zentrales Forschungsthema. Die sehr oft komplexe räumliche Struktur dieser Materialien untersuchen wir mit bildgebenden Methoden wie Rasterkraftmikroskopie und Nanotomographie sowie wissenschaftlicher Bildverarbeitung. Die Nanotomographie kann mit einer Ausgrabung auf der Nanometerskala verglichen werden: Von der zu untersuchenden Probe werden Schritt für Schritt wenige Nanometer dicke Schichten abgetragen (z.B. durch naßchemisches Ätzen, Plasmaätzen oder chemomechanisches Polieren) und nach jedem Abtragschritt wird die freigelegte Probenoberfläche mittels Rasterkraftmikroskopie abgebildet. Dabei werden sowohl die Form der Oberfläche als auch lokale Materialeigenschaften mit höchster Ortsauflösung erfasst. Aus dem Stapel von Schichtbildern mit nur wenigen Nanometern Zwischenabstand kann die räumliche Struktur der Probe mit 10 nm Auflösung rekonstruiert werden. Unsere aktuelle Forschung konzentriert sich auf teilkristalline Polymere, Blockcopolymere und biologische Materialien.

Schraubenversetzung in einer kristallinen Lamelle von elastomerem Polypropylen. Aus: M. Franke, N. Rehse, Macromolecules 41, 163 (2008); © 2008 American Chemical Society.

Teilkristalline Polymere, wie z.B. Polyethylen und Polypropylen, haben einen sehr weiten Anwendungsbereich. Ihre Eigenschaften können durch Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren gezielt beeinflusst werden, wobei die räumliche Mikrostruktur des Materials ein sehr wichtiger Parameter ist. Bei elastischem Polypropylen mit einem sehr geringen Kristallinitätsgrad lässt sich die räumliche Anordnung der kristallinen Bereiche sehr gut mit der Nanotomographie abbilden. Ein aktuelles Beispiel ist die Struktur einer Schraubenversetzung in einer kristallinen Lamelle (siehe Bild), deren Bildung zuvor mit Rasterkraftmikroskopie beobachtet wurde. Die Deformation einzelner Kristalle bei Dehnung des Materials beobachten wir in Mikrozugversuchen in-situ mit Rasterkraftmikroskopie. Diese Daten geben einen detaillierten Einblick in die Mikromechanik des Materials auf der Nanometerskala und können als Ausgangspunkt für realistische Finite-Elemente-Modelle der mechanischen Eigenschaften des Materials dienen.

Tapping-mode Rasterkraftmikroskopie der Mikrodomänendynamik an der Oberfläche eines flüssigen Blockcopolymers. Aus: A. Knoll et al., Nature Materials 3, 886 (2004).

Mesoskalige Dynamik von Blockcopolymeren. Mit tapping-mode Rasterkraftmikroskopie beobachten wir die Mikrodomänendynamik an der Oberfläche flüssiger Blockcopolymerfilme. Wir untersuchen, wie sich Mikrodomänen ordnen und rearrangieren, zum Beispiel bei Phasenumwandlungen zwischen verschiedenen Oberflächenrekonstruktionen. Unsere Rasterkraftmikroskopiefilme zeigen im Zeitraffer und mit 10 nm Auflösung die mesoskalige Dynamik und die Fluktuationen bei Phasenumwandlungen in einer konzentrierten Blockcopolymerlösung. Computersimulationen basierend auf dynamischer Dichtefunktionaltheorie (MesoDyn) erfassen die experimentellen Beobachtungen erstaunlich detailliert. mehr...

Mikrostruktur von humanem Knochen (Rasterkraftmikroskopie mit bimodaler Anregung).

Biologische Materialien haben einen komplexen hierarchischen Aufbau von der molekularen Skala, über die Nano- und Mikrometerskala bis hin zur makroskopischen Längenskala. Aus materialwissenschaftlicher Sicht kann Knochen als ein Verbundwerkstoff aus anorganischen Hydroxylapatitpartikeln aufgefasst werden, die in einer organischen Kollagenmatrix eingebettet sind. Wir untersuchen die Struktur von nativem Knochen und verfolgen das Ziel, die routinemäßige Abbildung von humanen Knochen mittels Nanotomographie zu etablieren. Von besonderem Interesse für das Verständnis von Struktureigenschaftsbeziehungen von Knochen sowie seiner Mikromechanik ist die hochauflösende Abbildung mechanischer Eigenschaften, wie sie nur mit der Rasterkraftmikroskopie möglich ist. Dafür entwickeln wir geeignete Präparationstechniken, Ätzverfahren und Abbildungstechniken der Rasterkraftmikroskopie.