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Nanokosmos sichtbar gemacht: Daten der Rasterkraftmikroskopie künftig direkt vergleichbar

Neuer Ansatz für quantitative Datenanalyse auch bei unterschiedlichen Betriebsmodi

11.09.2017

Foto/©: Hagen Söngen

Hochauflösende Aufnahme der Grenzfläche zwischen dem Mineral Calcit und flüssigem Wasser: Direkt über der Oberfläche des Minerals (unten) ist eine schachbrettartige Struktur zu erkennen, die zeigt, wo sich Wassermoleküle bevorzugt aufhalten.

Kleinste Strukturen auf der Ebene von Atomen und Molekülen lassen sich mit der Rasterkraftmikroskopie sichtbar machen. Seit ihrer Erfindung durch den deutschen Nobelpreisträger Gerd Binnig sind drei Jahrzehnte vergangen, in denen die Messmethode tiefe Einblicke in den Nanokosmos ermöglicht hat – insbesondere für die Grundlagenforschung in der Chemie, Physik und den Materialwissenschaften, aber auch in der Biologie. An der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) wird die Rasterkraftmikroskopie beispielsweise eingesetzt, um zu erforschen, wie sich Wassermoleküle an der Grenzfläche von Mineralien anordnen. Eine Veröffentlichung aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Angelika Kühnle am Institut für Physikalische Chemie zeigt jetzt, wie die verschiedenen Analysemethoden für die Rasterkraftmikroskopie vereinheitlicht werden können.

Die Rasterkraftmikroskopie dient zur Erforschung von Oberflächen auf kleinsten Skalen: Eine feine Nadel, die vorne auf wenige Nanometer zugespitzt ist, wird über eine Oberfläche bewegt und erfühlt diese Fläche, in etwa so wie sich eine Plattenspielernadel über eine Schallplatte bewegt. Die Bewegungen der Nadel werden über einen Biegebalken abgeleitet und gemessen. In den 30 Jahren seit Erfindung der Rasterkraftmikroskopie haben sich verschiedene Betriebsmodi herausgebildet, darunter die Amplitudenmodulation und die Frequenzmodulation als die beiden wichtigsten Vertreter. Die Analyse der jeweils erhaltenen Daten beruhte dann meistens auf verfahrensspezifischen Annahmen und Annäherungen. „Wir haben nun alle Mess-Modi zusammengefasst und vereinheitlichen die Theorie für alle Modi“, erklärt Dr. Hagen Söngen zu der Veröffentlichung „Quantitative atomic force microscopy“, die im Rahmen seiner Doktorarbeit in der Arbeitsgruppe von Kühnle entstanden ist.

Damit besteht die Möglichkeit, dass unterschiedliche Gebiete der Oberflächenforschung mittels Rasterkraftmikroskopie näher zusammenrücken und sich besser austauschen können. „Der direkte Vergleich von Daten, die mit unterschiedlichen Methoden analysiert wurden, kann extrem mühsam und anspruchsvoll sein“, so Söngen. „Das Tolle an der neuen Analysemethode ist jetzt, dass wir unabhängig von dem verwendeten Modus eine einheitliche Methode vorlegen, die Aufschluss über die Kraft zwischen der Messspitze und der Materialprobe liefert, und wir dann die Daten einfach miteinander vergleichen können.“

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