Sehen, hören und fühlen in der Nanowelt

Nanomechanische Gewebeeigenschaften sollen mit menschlichen Sinnen erfahrbar werden.

Mit einem Rasterkraftmikroskop können die Form einer Oberfläche und ihre lokalen mechanischen Eigenschaften sehr detailliert auf der Nanometerskala erfasst werden. Das Verständnis dieser sehr umfangreichen, mehrdimensionalen Daten steckt jedoch in den Kinderschuhen. Vor allem biologische Gewebe haben eine räumlich sehr komplexe Struktur, und ihre mechanischen Eigenschaften sind auf der Nanometerskala weitgehend unerforscht. Bei solch komplexen Daten stoßen Analyseverfahren, die mit statistischer Datenreduktion arbeiten, bislang an ihre Grenzen. Zusammen mit Prof. Dr. Alexandra Bendixen (Professur für Struktur und Funktion kognitiver Systeme) möchten wir den Zugang zur Datenanalyse grundlegend verändern, indem wir die komplexen Daten den menschlichen Sinnen und damit den kognitiven Fähigkeiten des Menschen zugänglich machen. Die mit dem Rasterkraftmikroskop gemessenen Kraftfelder sollen mit einer haptischen Schnittstelle in vom Menschen fühlbare Kräfte übersetzt werden. Gleichzeitig sollen die Form der Oberfläche und weitere Oberflächeneigenschafen visuell und akustisch dargestellt werden. So können die auf der Nanometerskala gemessenen Kräfte interaktiv und mit mehreren menschlichen Sinnen gleichzeitig erkundet werden.  mehr

Kollagenfibrillen

Nanomechanische Eigenschaften des häufigsten Strukturproteins der Wirbeltiere

Faserbildende Kollagene sind ein Hauptbestandteil der Bindegewebe von Wirbeltieren. Die häufigste Art ist Kollagen Typ I, das Fibrillen mit etwa 30 bis 300 nm Durchmesser und einer periodischen Struktur mit 67 nm Wiederholeinheit (der D-Bande) entlang der Fibrillenachse bildet. Die Menge, Art und Verteilung von Wassermolekülen und molekularen Vernetzungen zwischen den Kollagenmolekülen bestimmen entscheidend die mechanischen Eigenschaften der Kollagenfibrillen. Wir untersuchen die nanoskaligen mechanischen Eigenschaften hydrierter Kollagenfibrillen mittels Rasterkraftmikroskopie und -spektroskopie, wobei wir den Wassergehalt der Fibrillen über die Luftfeuchte kontrolliert einstellen können. Ferner können wir räumliche Tiefenprofile der Spitze-Probe-Wechselwirkung rekonstruieren und auf diese Weise den Beitrag der Kapillarkraft und Adhäsion von den viskoelastischen Eigenschaften der Kollagenfibrillen unterscheiden.  mehr

Halbleitende Polymere

Nanoskalige Strukturbildung an Oberflächen und in dünnen Filmen

Halbleitende Polymere sind wichtige Materialien für die Herstellung organischer und gedruckter elektronischer Bauteile, z.B. großflächige Solarzellen und Displays auf flexiblen Trägermaterialien. Die aktive Schicht dieser Bauteile ist etwa 100 nm dick und besteht aus einer Mischung unterschiedlicher organischer und polymerer Moleküle. Neben ihrer molekularen Struktur bestimmt die nanoskalige Gefügestruktur in der aktiven Schicht und an ihren Grenzflächen die physikalischen Eigenschaften der Bauteile. Zudem sind viele halbleitende Polymere teilkristallin und zeigen ein komplexes Aggregations- und Kristallisationsverhalten in Lösungen und Schmelzen. Diese Prozesse der Strukturbildung untersuchen wir mit MUSIC-mode Rasterkraftmikroskopie. Die Untersuchung der Gefügestruktur und der elektronischen Eigenschaften der Filme sowie Modellrechnungen ermöglichen ein detailliertes Verständnis der physikalischen Prozesse bei der Erzeugung, dem Transport und der Rekombination elektrischer Ladungsträger.

MUSIC-mode Rasterkraftmikroskopie

Nanoskalige Tiefenprofile weicher Polymeroberflächen

Rasterkraftmikroskopie im tapping mode (auch intermittent contact mode genannt) ist die bevorzugte Messmethode für die hochauflösende Abbildung weicher Oberflächen, wie z.B. von Kunststoffen, Flüssigkeiten oder lebenden Zellen. Dabei wird die Form der Oberfläche zeilenweise mit einer sehr feinen, schwingenden Spitze abgetastet, die wenige Nanometer tief in die weiche Oberfläche eindringt. Wir können die Eindringtiefe der Spitze in die Probe messen und mit dieser Information Tiefenprofile und Volumenbilder des oberflächennahen Bereichs weicher Materialien rekonstruieren, z.B. von teilkristallinen Polymeren, Blockcopolymeren, und polymerfunktionalisierten Graphenoxidschichten. Eine Variation der Methode ist der multi-set point intermittent contact (MUSIC) mode mit dem ohne Regelungsartefakte fragile nanoskalige Objekte mit Rasterkraftmikroskopie im tapping mode abgebildet werden können, z.B. supramolekulare Aggregate, funktionalisierte Graphenoxidschichten und Kollagenfibrillen.  mehr

Nanotomographie

Hochauflösende Volumenabbildung mittels Rastersondenmikroskopie

Die auf Rastersondenmikroskopie basierende Nanotomographie ist ein hochauflösendes, schichtweises Abbildungsverfahren. Von der zu untersuchenden Probe werden schrittweise wenige Nanometer dicke Schichten abgetragen (z.B. durch nasschemisches Ätzen, elektrochemisches Ätzen, Plasmaätzen oder chemomechanisches Polieren) und nach jedem Abtragschritt wird die freigelegte Probenoberfläche mittels Rastersondenmikroskopie abgebildet. Dabei werden gleichzeitig 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 typischerweise 10 nm Ortsauflösung rekonstruiert werden. Mit der Nanotomographie haben wir Blockcopolymer-Mikrodomänen, kristalline Lamellen in Polypropylen, und Kollagenfibrillen in Knochen abgebildet.  mehr


 

Nanomechanik

Auxetisches Verhalten von Polypropylen

Auxetische Materialien expandieren bei Dehnung quer zur Zugrichtung. Dieses ungewöhnliche Verhalten wurde zuerst bei bestimmten Polymerschäumen beobachtet und ist bei Materialien mit einer natürlichen Gefügestruktur sehr selten. Mit einem Mikrozugversuch können wir freitragende Polymerfilme im Rasterkraftmikroskop dehnen und dabei das Deformationsverhalten ihrer Gefügestruktur beobachten. Damit haben wir in dünnen Filmen aus elastomerem Polypropylen mit niedrigem Kristallinitätsgrad, das in der Kreuzschraffurmorphologie kristallisiert, lokal auxetisches Verhalten entdeckt. Die kristallinen Lamellen sind senkrecht im Film ausgerichtet und bilden etwa 100 nm große, unregelmäßige Rechtecke, die durch Verzweigungen der Lamellen beim Kristallwachstum entstehen. Bei uniaxialer Dehnung des Polymerfilms bleiben die Verzweigungswinkel fest und die Rechtecke dehnen sich auch quer zur Zugrichtung aus. Diese Deformation entspricht einem negativen Poisson-Verhältnis. Sie ist reversibel und wird auch bei Polypropylenfilmen mit ausgedehnter Kreuzschraffurmorphologie beobachtet.  mehr

Nanoskalige Dynamik von Blockcopolymeren

Orientierungsfluktuationen und physikalisches Altern von Streifenphasen

Muster sind in der Natur allgegenwärtig und die Beantwortung folgender Fragen ist für das physikalische Verständnis der Musterbildung essentiell: Was ist die Gleichgewichtskonformation eines Systems und auf welchen Wegen wird diese Konformation erreicht? Wir untersuchen mit Experimenten, Computersimulationen und analytischer Theorie Orientierungsfluktuation in Streifenphasen, wie sie sich zum Beispiel in dünnen Blockcopolymerfilmen bilden. Mit Computersimulationen haben wir das Altern von defektfreien Streifenphasen entdeckt. Unsere analytische Theorie auf der Basis des Landau-Peierls Modells zeigt, dass selbst bei kleinstem Rauschen das Streifenmuster keinen stationären Zustand mit zeitunabhängigen zeitlichen und räumlichen Orientierungskorrelationsfunktionen erreicht. Gleichzeitig wachsen die Korrelationslängen in Streifenrichtung und senkrecht dazu kontinuierlich, aber mit unterschiedlichen Potenzgesetzen, an. Das System ist daher nicht im Gleichgewicht. Dieses Ergebnis ist wichtig für das Verständnis der Thermodynamik von Streifenphasen und anderen musterbildenden Systemen in der Natur und in biologischen Systemen, die häufig nicht im Gleichgewicht sind und vielfältige Muster bilden.

Molekulare Dynamik in Polymerfilmen

Untersuchungen mittels Einzelmolekülmikroskopie und -spektroskopie

Einzelmolekülmikroskopie und -spektroskopie ermöglicht einzelne fluoreszierende Farbstoffmoleküle als Sonden für ihre Umgebung zu nutzen. Wir untersuchen wie in Polymerlösungen, Polymerschmelzen und in teilkristallinen Polymeren die Dynamik der Farbstoffmoleküle an die Bewegung der Polymermoleküle gekoppelt ist. Eine interessante Frage ist, wie sich eine makroskopische Deformation des Polymerfilms auf die molekulare Konformation der Polymermoleküle und der fluoreszierenden Sondenmoleküle sowie deren molekulare Dynamik auswirkt. In unserem Mikrozugversuch können wir mit Einzelmolekülpolarisationsmikroskopie die Orientierung einzelner Perylendiimidmoleküle während der Dehnung eines Polymerfilms und der folgenden Relaxation der mechanischen Spannung untersuchen. Für Polymethylacrylatschmelzen finden wir, dass die Orientierung der Sondenmoleküle die Deformation der Polymerketten auf der Längenskala von 5 nm widerspiegelt.