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Oberflächennahe Tomografie der Nanomechanik polymerer und biologischer Materialien mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie

Stühn, Lukas (2021):
Oberflächennahe Tomografie der Nanomechanik polymerer und biologischer Materialien mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017358,
[Ph.D. Thesis]

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Dissertation Lukas Stühn - angenommen final.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Oberflächennahe Tomografie der Nanomechanik polymerer und biologischer Materialien mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie
Language: German
Abstract:

Die Rasterkraftmikroskopie ist im Allgemeinen eine Technik, mit der ein stark vergrößertes Abbild der Topografie einer Oberfläche erzeugt werden kann. Dabei ist es gleichzeitig möglich, Informationen über elektrische, magnetische, chemische oder mechanische Eigenschaften der Oberfläche zu erhalten. Die Eigenschaften von sehr kleinen, also Nano-Partikeln, sind von denen der Oberfläche dominiert, da verhältnismäßig viele Atome auf der Oberfläche liegen und nicht im Volumen. Werden die Partikel größer, so ändert sich dieses Verhältnis, und die Eigenschaften des Volumens beginnen zu dominieren. Die Oberfläche ist insbesondere dadurch charakterisiert, dass sie im Kontakt zur Umwelt steht und Einflüssen wie dem Umgebungsmedium ausgesetzt ist. Zwischen dem Volumen und der Oberfläche befindet sich ein Übergangsbereich, der sowohl Einflüsse der Umwelt, wie auch des Volumens erfährt. Die vielfältigen abbildenden Möglichkeiten der Rasterkraftmikroskopie sollen auch auf den unter der Oberfläche liegenden, oberflächennahen Bereich einer Probe angewandt werden. Wie unter der Oberfläche liegende Strukturen mit Rasterkraftmikroskopie zugänglich gemacht werden können, ist die zentrale Fragestellung dieser Arbeit. Dazu werden zwei verschiedene Vorgehensweisen gezeigt, mit denen es möglich ist, mit Rasterkraftmikroskopie nicht nur die Topografie der Oberfläche einer Probe abzubilden, sondern auch Strukturen sichtbar zu machen, die unterhalb der Oberfläche liegen. Diese Strukturen liegen im Übergangsbereich zwischen Oberfläche und Volumen. Ein komplettes, dreidimensionales Volumenabbild ist hier nicht möglich, jedoch ist es in beiden Fällen ebenfalls möglich, die Probe auch oberflächennah, ortsaufgelöst mechanisch zu charakterisieren. Im ersten Ansatz wird der Biegebalken der Messspitze des Rasterkraftmikroskops nicht nur mit seiner Resonanzfrequenz zum Schwingen angeregt, sondern auch mit einer oder mehreren höheren Eigenmoden. Dadurch ist es möglich, lang- und kurzreichweitige Wechselwirkungen zwischen Messspitze und Probe in einer Messung getrennt voneinander zu erfassen, wenn sich die Wechselwirkungslängen voneinander unter-scheiden. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn es sich zum einen um langreichweitige magnetische Wechselwirkungen und zum anderen um topografieerzeugende, kurzreichweitige, abstoßende Kräfte handelt. Im zweiten Ansatz werden an jedem Punkt der Oberfläche Kraft-Abstands Kurven auf-genommen. Aus der Analyse der Kurven kann sowohl die Topografie der Probe aus dem Kontaktpunkt erhalten werden, wie auch mechanische Eigenschaften wie der (effektive) Elastizitätsmodul und die maximale Eindringtiefe in die Probe an dem jeweiligen Punkt. Eine dreidimensionale nanomechanische Kartierung ist mit der Methode der Kraft-Abstands Kurven möglich, wenn eine spezielle Auswertung angewandt wird: dabei werden die Kurven beginnend am Kontaktpunkt stückweise, lokal ausgewertet. So können tiefenaufgelöste, mechanische Eigenschaften erhalten werden. Das Potenzial dieses „Werkzeugs“ wird anhand von verschiedenen Beispielen demonstriert. Dazu werden polymere und magnetische Materialien sowie Nanopartikel hin-sichtlich ihrer Oberflächen- und inneren Struktur sowie mechanischer Eigenschaften untersucht. Insbesondere ist es möglich, lebende, menschliche Zellen mit dieser Methode zu untersuchen und mechanisch zu charakterisieren. Dabei können Zellbestandteile wie der Zellkern und das Zellskelett identifiziert und lokal aufgelöst werden. In Kombination mit optischer Fluoreszenzmikroskopie können die mit der Rasterkraftmikroskopie gefundenen Strukturen in der Zelle identifiziert werden. Diese Messungen zeigen eine mechanisch härtere, äußere Schicht der Zellen, die an einigen Stellen unterbrochen ist. An diesen „Löchern“ ist die Eindringtiefe der Messspitze in die Zelle deutlich erhöht und der Elastizitätsmodul vermindert. Hierbei könnte es sich um integrale Proteine handeln, die die Zellmembran durchspannen und den Stofftransport der Zelle ermöglichen. Dieses Werkzeug könnte in Zukunft dazu genutzt werden, gezielt Vorgänge in lebenden Zellen zu untersuchen – beispielsweise das Eindringen von Nanopartikeln oder den Vergleich von Bestandteilen gesunder Zellen mit denen von Krebszellen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Atomic force microscopy is generally a technique that can be used to create a highly magnified image of the topography of a surface. Simultaneously, it is possible to obtain information about electrical, magnetic, chemical or mechanical properties of the surface. The properties of very small, i.e. nanoparticles are dominated by those of the surface because a relatively large number of atoms are located on the surface and not in the volume. If the particles become larger, this ratio changes and the properties of the volume begin to dominate. The surface is characterized in particular by the fact that it is in contact with the environment and is exposed to influences such as the surrounding medium. Between volume and surface there is a transition region which is influenced by both the environment and the volume. The various imaging possibilities of atomic force microscopy are also to be applied to the area of a sample that lies below the surface and is close to the surface. The central question of this work is how to make sub-surface structures accessible with atomic force microscopy. For this purpose, two different approaches are shown, with which it is possible to use atomic force microscopy not only to image the topography of the surface of a sample, but also to visualize structures that lie below the surface. These structures are located in the transition region between surface and volume. A complete, three-dimensional image of the volume is not possible here, but in both cases it is also possible to locally characterize the sample mechanically close to the surface. In one case, the cantilever of the probe of the atomic force microscope is excited to oscillate not only with its resonant frequency, but also with one or more higher eigenmodes. This allows for measuring short- and long-range interactions between probe tip and sample separately in one measurement if the interaction lengths differ from each other. This is the case, for example, if there are long-range magnetic interactions on the one hand and topographical short-range repulsive forces on the other hand. In the second case, force-distance curves are mapped two dimensionally during the measurement. From these curves the topography of the sample can be reconstructed from the contact point as well as mechanical properties such as the Young's modulus and the maximum indentation depth into the sample can be visualized. A three-dimensional nanomechanical characterization is possible with the method of force-distance curves, if a special data analysis is applied: the curves are evaluated section by section, locally, starting at the contact point. In this way depth-resolved mechanical properties can be obtained. The potential of this "tool" are demonstrated by means of various examples. For this purpose, both polymeric and magnetic materials as well as nanoparticles are investigated towards their surface and inner structure, as well as their mechanical properties. In particular, it is possible to examine and mechanically characterize living human cells with this method. Cell components such as the cell nucleus and the cytoskeleton can be identified and resolved. In combination with optical fluorescence microscopy, the structures found by nanomechanical characterization can be identified in the cell. These measurements show a mechanically harder, outer layer of the cells, which is interrupted at some places. At these cavities the indentation depth of the probe tip into the cell is significantly increased and the Young's modulus is reduced compared to the surrounding area. These could be integral proteins that span the cell membrane and enable the mass transport of the cell. In the future, this tool could be used to study specific processes in living cells - for example the intrusion of nanoparticles into the cell or the comparison of structures in healthy cells with cancer cells.

English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Physics of Surfaces
TU-Projects: DFG|DI2176/2-1|Subsurface Imaging v
Date Deposited: 27 Jan 2021 13:05
Last Modified: 27 Jan 2021 13:05
DOI: 10.26083/tuprints-00017358
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-173583
Referees: Stark, Prof. Dr. Robert and von Klitzing, Prof. Dr. Regine
Refereed: 1 December 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17358
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