Sehen, hören und fühlen in der Nanowelt
Nanomechanische Gewebeeigenschaften sollen mit menschlichen Sinnen erfahrbar werden.
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Schematische Darstellung der geplanten multisensorischen Schnittstelle. Das Beispiel zeigt mit einem Rasterkraftmikroskop gemessene Kraft-Abstands-Daten, die an Kollagenfibrillen einer Schafsehne gemessen wurden (Fotografik: Robert Magerle).
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
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3D-Tiefenprofil von Kollagenfibrillen in einer hydrierten Schafsehne. Bildnachweis: R. Magerle, M. Dehnert, D. Voigt, A. Bernstein, Anal. Chem. 92, 8741–8749 (2020); © 2020 American Chemical Society. -
Kollagenfibrillen in einer hydrierten Schafsehne, aufgenommen mit tapping-mode Rasterkraftmikroskopie. Daten aus R. Magerle, M. Dehnert, D. Voigt, A. Bernstein, Anal. Chem. 92, 8741–8749 (2020); Grafik: M. Dehnert. -
Karten des elastischen Moduls (links) und der zwischen Spitze und Probe dissipierten Energie (rechts) einer hydrierten, rekonstituierten Kollagenfibrille. Bildnachweis: M. R. Uhlig, R. Magerle, Nanoscale 9, 1244–1256 (2017); © The Royal Society of Chemistry 2017 -
Nanoskaliges Quellverhalten einer rekonstituierten Kollagenfibrille. MUSIC-mode Rasterkraftmikroskopiebilder der ungestörten Oberfläche (a) vor dem Quellen, (b) im hydrierten Zustand bei 78% relativer Luftfeuchte und (c) nach dem Quellen. (d) Höhenprofile entlang der Fibrillenrückgrats. Die Lückenbereiche (gap) der D-Bande quellen mehr als die Überlappbereiche (overlap). Dies ist ein direkter Nachweis eines höheren Gehalts an freien Wassermolekülen in den Lückenbereichen. Bildnachweis: E.-C. Spitzner, S. Röper, M. Zerson, A. Bernstein, R. Magerle, ACS Nano 9, 5683–5694 (2015); © 2015 American Chemical Society.
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
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Terrassen mit monomolekularen Stufen in einem dünnen Film eines Diketopyrrolopyrrol-Copolymers. Bildnachweis: S. Vazirieh Lenjani, M. Zerson, Q. Wang, M. Sommer, R. Magerle, ACS Macro Lett. 8, 1611–1616 (2019); © 2019 American Chemical Society. -
Terrassen mit monomolekularen Stufen in einem dünnen Film eines Naphtalendiimid-Bithiophen Copolymers. Bildnachweis: M. Zerson, M. Neumann, R. Steyrleuthner, D. Neher, R. Magerle, Macromolecules 49, 6549–6557 (2016); © 2016 American Chemical Society. -
(a,b) Tiefenprofile der Kraftkonstante kTS und der zwischen Spitze und Probe dissipierten Energie an der Oberfläche eines P3HT Films. (c) Tapping-mode Rasterkraftmikroskopiebild der Oberfläche. Die Linie markiert die Position des Tiefenprofils, die Pfeile markieren die amorphen Bereiche zwischen den kristallinen Lamellen und einen Defekt (D). Bildnachweis: M. Zerson, E.-C. Spitzner, C. Riesch, R. Lohwasser, M. Thelakkat, R. Magerle, Macromolecules 44, 5874–5877 (2011); © 2011 American Chemical Society.
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
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Rasterkraftmikroskopiebild einer polystyrolfunktionalisierten Graphenoxidschicht (links) und Tiefenprofil der Spitze-Probe-Wechselwirkung (rechts). Bildnachweis: M. Dehnert, E.-C. Spitzner, F. Beckert, C. Friedrich, R. Magerle, Macromolecules 49, 7415–7425 (2016); © 2016 American Chemical Society. -
Räumliches Tiefenprofil kristalliner Lamellen unter der Oberfläche eines elastomeren Polypropylenfilms. Bildnachweis: E.-C. Spitzner, C. Riesch, R. Magerle, ACS Nano 5, 315–320 (2011); © 2011 American Chemical Society. -
Oligothiophenderivate ordnen sich zu Nanofibrillen mit einem helikalen Kern an, der von einer weichen Schale aus Polyisoprenliganden umschlossen ist. Die Form und die lokalen nanomechanischen Eigenschaften der auf einem Substrat deponierten Fibrillen können mit MUSIC-mode Rasterkraftmikroskopie abgebildet werden. Daten aus E.-C. Spitzner et al., ACS Macro Lett. 1, 380–383 (2012). Grafik: E.-C. Spitzner, R. Magerle.
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
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Mikrostruktur eines synthetischen Gummis. Bildnachweis: R. Magerle, Phys. Rev. Lett. 85, 2749–2752 (2000); © 2000 American Physical Society. -
Prinzip der Nanotomographie mittels Rastersondenmikroskopie. Bildnachweis: R. Magerle, Phys. Rev. Lett. 85, 2749–2752 (2000); © 2000 American Physical Society. -
Nanotomographie kristalliner Lamellen in elastomerem Polypropylen. Bildnachweis: N. Rehse, S. Marr, S. Scherdel, R. Magerle, Adv. Mater. 17, 2203–2206 (2005); © 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. -
Schraubenversetzung in einer kristallinen Lamelle von elastomerem Polypropylen. Bildnachweis: M. Franke, N. Rehse, Macromolecules 41, 163–166 (2008); © 2008 American Chemical Society.
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
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Lokal auxetisches Verhalten eines elastomeren Polypropylenfilms. Bildnachweis: M. Franke, R. Magerle, ACS Nano 5, 4886–4891 (2011); © 2011 American Chemical Society. -
Sequenz von Rasterkraftmikroskopiebildern des lokal auxetisches Verhaltens eines elastomeren Polypropylenfilms. Der Bildausschnitt ist 380 × 310 nm² groß. Bildnachweis: M. Franke, R. Magerle, ACS Nano 5, 4886–4891 (2011); © 2011 American Chemical Society. -
Prinzipskizze des Mikrozugversuchs im Rasterkraftmikroskop. Bildnachweis: M. Franke, R. Magerle, ACS Nano 5, 4886–4891 (2011); © 2011 American Chemical Society.
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
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Computersimulation einer Streifenphase (links), Orientierungsdomäne mit einheitlicher Streifenorientierung und Karte der lokalen Streifenorientierung (rechts). Bildnachweis: C. Riesch, G. Radons, R. Magerle, Phys. Rev. E 90, 052101 (2014); © 2014 American Physical Society. -
Computersimulation einer Streifenphase ohne topologische Defekte. Die lokale Streifenorientierung ist in der nächsten Bildsequenz farbkodiert dargestellt. Bildnachweis: C. Riesch, G. Radons, R. Magerle, Phys. Rev. E 90, 052101 (2014); © 2014 American Physical Society. -
Computersimulation von Orientierungsfluktuationen in einer Streifenphase ohne topologische Defekte. Bildnachweis: C. Riesch, G. Radons, R. Magerle, Phys. Rev. E 90, 052101 (2014); © 2014 American Physical Society. -
Wachstum von Korrelationalängen der Streifenorientierung beim Altern einer Streifenphase ohne topologische Defekte. Bildnachweis: C. Riesch, G. Radons, R. Magerle, Interface Focus 7, 20160146 (2017); © 2017 The Author(s) Published by the Royal Society. -
Altern der Zwei-Zeit-Orientierungskorrelationsfunktion. Die Ergebnisse von Computersimulationen (grüne Datenpunkte) werden sehr gut mit unserer analytischen Theorie auf der Basis des Landau-Peierls Modells beschrieben (rote Kurven). Bildnachweis: C. Riesch, G. Radons, R. Magerle, Interface Focus 7, 20160146 (2017); © 2017 The Author(s) Published by the Royal Society.
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
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Position und Orientierung einzelner Farbstoffmoleküle in einem dünnen Polymerfilm. Bei Dehnung des Polymerfilms werden die Farbstoffmoleküle in Zugrichtung ausgerichtet. Bildnachweis: S. Krause, M. Neumann, M. Fröbe, R. Magerle, C. von Borczyskowski, ACS Nano 10, 1908–1917 (2016); © 2016 American Chemical Society. -
Aufbau des Zugversuchs mit Einzelmolekülpolarisationsmikroskopie. Als Farbstoff wird ein Perylendiimidderivat verwendet, das in einem freistehenden Polymethylarcrylatfilm eingebettet ist. Bildnachweis: S. Krause, M. Neumann, M. Fröbe, R. Magerle, C. von Borczyskowski, ACS Nano 10, 1908–1917 (2016); © 2016 American Chemical Society.
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.