Rasterkraftmikroskop für die hochaufgelöste Abbildung an Fest-Flüssig-Grenzflächen

• Fachliche Zuordnung: Chemische Festkörper- und Oberflächenforschung
• Förderung: Förderung in 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420771391

Mit dem hier beantragten Rasterkraftmikroskop sollen Fest-Flüssig-Grenzflächen mit hoher räumlicher Auflösung untersucht werden. Im Fokus steht dabei eine instrumentelle Weiterentwicklung, die es ermöglicht, nicht nur Informationen in einer zweidimensionalen Ebene an der Grenzfläche zu sammeln, sondern ein Volumen an der Grenzfläche zu studieren. Diese „dreidimensionale Rasterkraftmikroskopie“ erlaubt es, strukturelle Veränderungen auch vertikal zur Oberfläche zu untersuchen. Besonders interessant ist diese Methode, um die Solvatationsstruktur an der Grenzfläche im Ortsraum mit molekularer Auflösung abzubilden.Die Abbildung der Solvatationsstruktur an der Grenzfläche eröffnet Einblicke in eine Reihe aktueller Forschungsfragen. So kann mit diesem Gerät zum Beispiel die Frage adressiert werden, ob in wässrigen Lösungen befindliche Ionen direkt an die Oberfläche binden oder vollständig hydratisiert bleiben. Es ist zudem unklar, inwieweit die Anwesenheit von gelösten Ionen die Hydratationsstruktur an einer Grenzfläche verändert und welche Bedeutung hierbei die spezifische Natur der Ionen und der Oberfläche hat. Da diese Veränderungen unmittelbaren Einfluss auf die Wechselwirkung des Systems mit der Umgebung haben, ist die Klärung dieser fundamentalen Fragen für viele unterschiedliche Bereiche interessant, zum Beispiel in der Geochemie, der Biomineralisation bis hin zu Anwendungen in der Elektrochemie. Das Gerät soll auch zum Einsatz kommen, um die Wasser-Graphit-Grenzfläche zu untersuchen, da es sich hierbei um ein Modellsystem für eine Vielzahl an Studien im Bereich der molekularen Selbstorganisation handelt. Dabei wird der Einfluss des Lösungsmittels auf die Selbstorganisation von Molekülen an der Graphitoberfläche selten adressiert, obwohl davon auszugehen ist, dass die Hydratation der Oberfläche und der Moleküle die Selbstorganisation entscheidend beeinflusst. Interessanterweise wird in der Literatur von der Entstehung von Streifen an der Wasser-Graphit-Grenzfläche berichtet, deren Ursache jedoch kontrovers diskutiert wird. Auch hierfür soll das Gerät genutzt werden, wobei die Möglichkeit, die Umgebungsbedingungen (Gasatmosphäre, Temperatur u.a.) genau zu kontrollieren, hierbei von größter Wichtigkeit ist.Für die hochauflösende Rasterkraftmikroskopie sind flache Oberfläche ideal, allerdings sind Stufenkanten häufig interessanter, da sie üblicherweise reaktiver sind. Die atomare Abbildung von Stufenkanten ist experimentell allerdings besonders herausfordernd. Da viele Prozesse wie Moleküladsorption oder Kristallwachstum und -auflösung aber gerade an den Stufenkanten stattfinden, sind diese besonders interessant. Durch konsequente Geräteoptimierung ist es inzwischen möglich, auch Stufenkanten atomar abzubilden. Mit der dreidimensionalen Rasterkraftmikroskopie wollen wir hier nun auch die Solvatationsstruktur studieren und den Einfluss der Stufenkante auf die Solvatation und somit auf die Reaktivität der Grenzfläche untersuchen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Rasterkraftmikroskop für die hochaufgelöste Abbildung an Fest-Flüssig-Grenzflächen
• Gerätegruppe: 5091 Rasterkraft-Mikroskope
• Antragstellende Institution: Universität Bielefeld
• Leiterin: Professorin Dr. Angelika Kühnle