Rasterkraftmikroskop AFM
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Rasterkraftmikroskop ist unser Arbeitspferd für alle Arten von Proben und Rasterarten (außer spezielle Kraftspektroskopie-Studien). Praktisch jede Probenoberfläche wird mit Hilfe dieses Gerätes zuerst umfassend charakterisiert bevor z.B. ein Polymer, Protein- oder Bakterienfilm präpariert wird. Für zwei Arten von Studien war dieses Rasterkraftmikroskop (AFM) die Hauptmethode: a) Besondere Eigenheiten von Flüssigkeiten in eingeschränkter Dimension, b) Abbilden von weichen Objekten in Flüssigkeit, z.B. die in situ-Charakterisieirung der Adsorption von Molekülen aus einer Flüssigkeit auf eine feste Oberfläche. In a) wurde das AFM genutzt, um im dynamischen Rastermodus eine flüssige oder weiche Oberfläche bei erhöhter Temperatur (40-200 °C) abzurastern, ohne in diese mit der Spitze einzutauchen. In b) wurde die Probe in einer Flüssigkeit (z.B. wässrige Pufferlösung) abgebildet oder sogar charakterisiert während eine Proteinlösung durch die Flüssikeitszelle gepumpt wurde. Ad a): Wir konnten zeigen, dass sowohl der Polymerfilm als auch das feste Substrat bestimmte Eigenschaften aufweisen müssen, nämlich eine bestimmte Ordnung an der Grenzfläche, damit es zu einem besonders hohen Rutschanteil kommt (ein nahezu festkörperartiges Rutschen) und eine flüssige Front deshalb besonders schnell entnetzen kann. Der Rutschanteil wird über die Schlupflänge (slip length) bemessen. Werden Schlupflängen festgestellt, die die Filmdicke um eine oder mehrere Größenordnungen übersteigen, spricht man von einem hohen Schlupfantei oder nahezu full slip. Das feste Substrat kann dabei z.B. ein hydrophobisierter Si-Wafer sein. Die Hydrophobisierung gelingt mit unterschiedlichen Beschichtungen, sie können ungeordnet sein (z.B. mit Hilfe von Tetrafluorethylen) oder eine mehr oder weniger hohe Ordnung aufweisen wie im Falle von Silanen, die selbstanordnende Monolagen (SAMs) ausbilden können. Besonders gut gelingt eine solche SAM mit Hilfe von Octadecyltrichlorosilan, aber auch längere oder kürzere Silanmoleküle führen zu guten Beschichtungen. Eine Beschichtung, die aus einer Mischung aus langen und kurzen Silanmolekülen besteht kann bei Polystyrolfilmen (Dicke < 100 nm) die bisher größten Schlupflängen provozieren (> 10 µm). Ein hoher Rutschanteil in einer Kombination Polymerfilm/festes Substrat beeinflusst jedoch auch die Ausbildung einer Rayleigh-Pleateau-Instabilität, beispielsweise in dem nahezu zylinderförmigen Randwulst einer entnetzten Flüssigkeitsfront: Die Geometrie wird durch das Rutschen nicht beeinflusst, jedoch die Dynamik der Wulst- und Tropfenbildung wird signifikant beschleunigt. Besonders interessant war der Einfluss einer hohen Schlupflänge bei Tropfen, die in einem Nichtgleichgewichtszustand auf Silanoberflächen präpariert worden waren und deren Übergang in den Gleichgewichtszustand per AFM in situ beobachtet wurden; aufgenommen wurden 3d-Tropfenprofil und somit auch der Kontaktwinkel als Funktoin der Zeit. Die experimentellen Resultate konnten hervorragend mit Hilfe der Theorie der Flüssigkeiten unter Berücksichtigung der experimentell gefundenen Schlupflänge nachvollzogen werden. Es zeigte sich in Theorie wie im Experiment, dass unterschiedliche Rutschanteile zum einen das Geschwindigkeitsfeld innerhalb des Tropfens änderm und zum anderen auch zu Zwischenzuständen des Tropfens führen, in denen das Profil eine negative Krümmung aufweist (eine „Delle“ in der Mite des Tropfens). Weitere Studien zeigten, dass auch die Art der Präparation des Films und die Polydispersität des Polymerfilms Parameter sind, die die Sliplänge beeinflussen. Diese Messungen gelangen mit dem AFM im dynamischen Modus unter sehr gut kontrollierten Parametern der Rückkoppelungsschleife, um die flüssigen Proben nicht durch das Abrastern zu stören. Ad b): Die Flüssigkeitszelle des AFMs erlaubt das Scannen unter Flüssigkeit und sogar unter einem Durchfluss von Flüssigkeiten, in unserem Fall Puffer- oder Proteinlössungen, auch bei erhöhten Temperaturen. Es zeigte sich, dass z. B. Hydroxylapatit, das Material unserer Zähne, für Proteine eine unterschiedliche Attraktivität aufweist, je nachdem wie der Schnitt durch die zufällig orientierten Mikrokristallite durch die Oberfläche erfolgt ist. Hier zeigte das AFM seine besondere Stärke, der Adsorptionsprozess ließ sich über viele Stunden verfolgen, Driftprobleme waren nicht festzustellen. Durch die Kombination von Oberflächentopografie und –elastizität konnten einzelne Proteinmoleküle sehr gut von anderen Objekten (z.B. Staub) unterschieden werden. In einer Kooperation wurden die Auswirkungen von unterschiedlich gefüllten Nanokapseln auf das Zytoskellet von Zellen untersucht. Hierzu wurden die Zellen in vitro in ihrer Höhe und ihrer Morphologie von uns per AFM charakterisiert. Ferner wurde ein neuer Modus getestet, den E-Modul einer der Zellwand einer Bakterienzelle lokal zu bestimmen, was sehr gut gelang: Beispielsweise unterscheiden sich die Wildtypen von Staphylococcus aureus stark von genmodifizierten Spezies, letztere sind weicher und die Härte ist gleichmäßiger über die Zellwand verteilt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Influence of slip on the Rayleigh-plateau rim instability in dewetting viscous films"; Phys. Rev. Lett. 113 (2014) 014501
O. Bäumchen, L. Marquant, R. Blossey, A. Münch, B. Wagner, and K. Jacobs
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.014501) - "Nanofluidics of thin polymer films: Linking the slip boundary condition at solid-liquid interfaces to macroscopic pattern formation and microscopic interfacial properties "; Advances in Colloid and Interface Science 210 (2014) 13
J. D. McGraw, O. Bäumchen, M. Klos, S. Haefner, M. Lessel, S. Backes, K. Jacobs
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cis.2014.03.010) - "Reduction of the peptidoglycan crosslinking causes a decrease in stiffness of the Staphylococcus aureus cell envelope"; Biophysical Journal 107 (2014) 1082
P. Loskill, P. M. Pereira, P. Jung, M. Bischoff, M. Herrmann, M. G. Pinho, K. Jacobs
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.bpj.2014.07.029) - "Sacrificial Mica Substrates Influence the Slip Boundary Condition of Dewetting Polymer Films"; Polymer 78 (2015) 202
S. M. Sabzevari, J. D. McGraw, K. Jacobs, P. Wood-Adams
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.polymer.2015.08.038) - "Self-assembled silane monolayers: an efficient step-by-step recipe for high-quality, low energy surfaces"; Surface and Interface Analysis 47 (2015) 557
M. Lessel, O. Bäumchen, M. Klos, H. Hähl, R. Fetzer, M. Paulus, R. Seemann, K. Jacobs
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/sia.5729) - "Intracellular Delivery of Poorly Soluble Polyphenols: Elucidating the Interplay of Self-Assembling Nanocarriers and Human Chondrocytes"; Analytical Chemistry 88 (2016) 7014
B. Kann, C. Spengler, K. Coradini, L. A. Rigo, M.L. Bennink, K. Jacobs, H.L. Offerhaus, R.C R. Beck, M. Windbergs
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.analchem.6b00199) - "Short Chains Enhance Slip of Highly Entangled Polystyrenes during Thin Film Dewetting"; RSC Advances 6 (2016) 91163
S.M. Sabzevari, J.D. McGraw, P. Wood-Adams
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c6ra15606a) - "Slip-mediated dewetting of polymer microdroplets"; Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America PNAS 113 (2016) 1168
J.D. McGraw, T. S. Chan, S. Maurer, T. Salez, M. Benzaquen, E. Raphaël, M. Brinkmann, K. Jacobs
(Siehe online unter https://doi.org/10.1073/pnas.1513565113) - "Synthesis of hydroxyapatite substrates: bridging the gap between model surfaces and enamel"; ACS Appl. Mater. Interfaces 8 (2016) 25848
C. Zeitz, T. Faidt, S. Grandthyll, H. Hähl, N. Thewes,C. Spengler, J. Schmauch, M. J. Deckarm, C. Gachot, H. Natter, M. Hannig, F. Müller, K. Jacobs
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acsami.6b10089) - “Influence of bidisperse self-assembled monolayer structure on the slip boundary condition of thin polymer films”, The Journal of Chemical Physics 146, 000000 (2017)
J. D. McGraw, M. Klos, A. Bridet, H. Hähl, M. Paulus, J. M. Castillo, M. Horsch, K. Jacobs
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4978676)
