Stühn, Lukas (2021)
Oberflächennahe Tomografie der Nanomechanik polymerer und biologischer Materialien mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00017358
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Rasterkraftmikroskopie ist im Allgemeinen eine Technik, mit der ein stark vergrößertes Abbild der Topografie einer Oberfläche erzeugt werden kann. Dabei ist es gleichzeitig möglich, Informationen über elektrische, magnetische, chemische oder mechanische Eigenschaften der Oberfläche zu erhalten. Die Eigenschaften von sehr kleinen, also Nano-Partikeln, sind von denen der Oberfläche dominiert, da verhältnismäßig viele Atome auf der Oberfläche liegen und nicht im Volumen. Werden die Partikel größer, so ändert sich dieses Verhältnis, und die Eigenschaften des Volumens beginnen zu dominieren. Die Oberfläche ist insbesondere dadurch charakterisiert, dass sie im Kontakt zur Umwelt steht und Einflüssen wie dem Umgebungsmedium ausgesetzt ist. Zwischen dem Volumen und der Oberfläche befindet sich ein Übergangsbereich, der sowohl Einflüsse der Umwelt, wie auch des Volumens erfährt. Die vielfältigen abbildenden Möglichkeiten der Rasterkraftmikroskopie sollen auch auf den unter der Oberfläche liegenden, oberflächennahen Bereich einer Probe angewandt werden. Wie unter der Oberfläche liegende Strukturen mit Rasterkraftmikroskopie zugänglich gemacht werden können, ist die zentrale Fragestellung dieser Arbeit. Dazu werden zwei verschiedene Vorgehensweisen gezeigt, mit denen es möglich ist, mit Rasterkraftmikroskopie nicht nur die Topografie der Oberfläche einer Probe abzubilden, sondern auch Strukturen sichtbar zu machen, die unterhalb der Oberfläche liegen. Diese Strukturen liegen im Übergangsbereich zwischen Oberfläche und Volumen. Ein komplettes, dreidimensionales Volumenabbild ist hier nicht möglich, jedoch ist es in beiden Fällen ebenfalls möglich, die Probe auch oberflächennah, ortsaufgelöst mechanisch zu charakterisieren. Im ersten Ansatz wird der Biegebalken der Messspitze des Rasterkraftmikroskops nicht nur mit seiner Resonanzfrequenz zum Schwingen angeregt, sondern auch mit einer oder mehreren höheren Eigenmoden. Dadurch ist es möglich, lang- und kurzreichweitige Wechselwirkungen zwischen Messspitze und Probe in einer Messung getrennt voneinander zu erfassen, wenn sich die Wechselwirkungslängen voneinander unter-scheiden. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn es sich zum einen um langreichweitige magnetische Wechselwirkungen und zum anderen um topografieerzeugende, kurzreichweitige, abstoßende Kräfte handelt. Im zweiten Ansatz werden an jedem Punkt der Oberfläche Kraft-Abstands Kurven auf-genommen. Aus der Analyse der Kurven kann sowohl die Topografie der Probe aus dem Kontaktpunkt erhalten werden, wie auch mechanische Eigenschaften wie der (effektive) Elastizitätsmodul und die maximale Eindringtiefe in die Probe an dem jeweiligen Punkt. Eine dreidimensionale nanomechanische Kartierung ist mit der Methode der Kraft-Abstands Kurven möglich, wenn eine spezielle Auswertung angewandt wird: dabei werden die Kurven beginnend am Kontaktpunkt stückweise, lokal ausgewertet. So können tiefenaufgelöste, mechanische Eigenschaften erhalten werden. Das Potenzial dieses „Werkzeugs“ wird anhand von verschiedenen Beispielen demonstriert. Dazu werden polymere und magnetische Materialien sowie Nanopartikel hin-sichtlich ihrer Oberflächen- und inneren Struktur sowie mechanischer Eigenschaften untersucht. Insbesondere ist es möglich, lebende, menschliche Zellen mit dieser Methode zu untersuchen und mechanisch zu charakterisieren. Dabei können Zellbestandteile wie der Zellkern und das Zellskelett identifiziert und lokal aufgelöst werden. In Kombination mit optischer Fluoreszenzmikroskopie können die mit der Rasterkraftmikroskopie gefundenen Strukturen in der Zelle identifiziert werden. Diese Messungen zeigen eine mechanisch härtere, äußere Schicht der Zellen, die an einigen Stellen unterbrochen ist. An diesen „Löchern“ ist die Eindringtiefe der Messspitze in die Zelle deutlich erhöht und der Elastizitätsmodul vermindert. Hierbei könnte es sich um integrale Proteine handeln, die die Zellmembran durchspannen und den Stofftransport der Zelle ermöglichen. Dieses Werkzeug könnte in Zukunft dazu genutzt werden, gezielt Vorgänge in lebenden Zellen zu untersuchen – beispielsweise das Eindringen von Nanopartikeln oder den Vergleich von Bestandteilen gesunder Zellen mit denen von Krebszellen.

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