Daten der Rasterkraftmikroskopie künftig direkt vergleichbar

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. Dr. Hagen Söngen und sein Team haben nun alle Mess-Modi zusammengefasst und vereinheitlichen die Theorie für alle Modi in der Veröffentlichung Quantitative atomic force microscopy, die im Rahmen seiner Doktorarbeit in der Arbeitsgruppe von Kühnle entstanden ist.

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 / Bildquelle: Hagen Söngen

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. Das Tolle an der neuen Analysemethode ist jetzt, dass unabhängig von dem verwendeten Modus eine einheitliche Methode vorgelegt wird, die Aufschluss über die Kraft zwischen der Messspitze und der Materialprobe liefert, und die Daten dann einfach miteinander verglichen werden können.

An der JGU stehen den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern mehrere hochauflösende Rasterkraftmikroskope für die Oberflächenforschung zur Verfügung. Der Standort Mainz zählt zu den wenigen Plätzen weltweit, die extreme Hochauflösungsmessungen vornehmen können.

Veröffentlichung: H. Söngen et al., Quantitative atomic force microscopy, Journal of Physics: Condensed Matter 29:27, 6. Juni 2017, DOI:10.1088/1361-648X/aa6f8b

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