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Oberflächenkraftmessungen

Dr. Astrid Drechsler

Die Wechselwirkungen von Festkörpern im nanoskopischen Bereich sind maßgeblich für eine Vielzahl von makroskopischen Eigenschaften wie Kolloidstabilität, Benetzbarkeit, Biokompatibilität oder Stabilität von Verbunden. Sie resultieren aus dem Zusammenspiel verschiedener Oberflächeneigenschaften wie Ladung, Rauheit und chemische Zusammensetzung und können durch dünne Adsorptionsschichten stark verändert werden. Die Wechselwirkungskräfte zwischen einer Oberfläche und einer Spitze oder einem kolloidalen Partikel im Mikrometerbereich können direkt gemessen werden. Diese Messung gibt nicht nur Aufschluss über die Wechselwirkung zwischen Oberflächen, sondern auch über Oberflächeneigenschaften und den Einfluss adsorbierter Ionen oder Moleküle.

Elektronenmikroskopische Aufnahme einer an einen AFM-Cantilever geklebten Polystyrolkugel.

In unserem Kraftmesslabor werden Wechselwirkungskräfte im Bereich von einigen Nanometern bis Mikrometern mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopen (AFM) in Luft, Dampf oder Flüssigkeiten bestimmt. Mit Standard-AFM-Spitzen können gleichzeitig die Topographie einer Oberfläche abgebildet und ortsaufgelöste Kraftmessungen vorgenommen werden (force volume mode). Zur quantitativen Bestimmung von Wechselwirkungskräften wird die colloid probe technique angewandt. Dabei wird die AFM-Spitze durch ein kugelförmiges Partikel von einigen Mikrometern Durchmesser ersetzt. Diese Technik erlaubt nicht nur die Eliminierung der Partikelgeometrie, sondern auch die Verwendung unterschiedlichster Materialien (z.B. Polymere) zur Kraftmessung und die Messung schwacher Wechselwirkungen.

Kräfte zwischen chemisch modifizierten Oberflächen werden durch chemische Kraftmikroskopie bestimmt. Mit dem AFM könne nicht nur vertikale, sondern auch laterale (Reibungs-)Kräfte gemessen werden.

Projekte


In mehreren Kooperationen mit Industrieunternehmen werden direkte Kraftmessungen eingesetzt, um die Wechselwirkungen zwischen Oberflächen und Partikeln für spezielle Anwendungen, z.B. Textilreinigung oder Chipfertigung zu untersuchen. Zwei von der DFG geförderte Grundlagenprojekte basieren auf direkten Kraftmessungen:

Literatur

  • Elmahdy, Mahdy M. ; Drechsler, A. ; Bittrich, E. ; Uhlmann, P. ; Stamm, M. Interactions between silica particles and poly(2-vinylpyridine) brushes in aqueous solutions of monovalent and multivalent salts more Colloid and Polymer Science 292 (2014) 1999-2012
  • Drechsler, A. ; Synytska, A. ; Uhlmann, P. ; Stamm, M. ; Kremer, F. Tuning the adhesion of silica microparticles to a poly(2-vinyl pyridine) brush: an AFM force measurement study more Langmuir 28 (2012) 15555-15565
  • Drechsler, A. ; Synytska, A. ; Uhlmann, P. ; Elmahdy, Mahdy M. ; Stamm, M. ; Kremer, F. Interaction forces between microsized silica particles and weak polyelectrolyte brushes at varying pH and salt concentration more Langmuir 26 (2010) 6400-6410
  • Drechsler, A. ; Grundke, K. The influence of electrolyte ions on the interaction forces between polystyrene surfaces more Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 264 (2005) 157-165