Hochaufgelöste mechanische Charakterisierung von Polymerschichten und Biomolekülen

Diese Arbeit befasst sich mit verschiedenen Messmethoden aus dem Bereich der Rasterkraftmikroskopie. Im Fokus liegt dabei die Untersuchung der Anwendbarkeit von Techniken zur nanomechanischen Charakterisierung auf komplexe, strukturierte Oberflächen. In diesem Zusammenhang wurden verschiedene synthetische und biologische Oberflächen, die nanoskalige Strukturen aufwiesen, präpariert und mit Messtechniken vermessen, die speziell für die Charakterisierung von viskoelastischen Oberflächeneigenschaften entwickelt wurden. Neben etablierten Messtechniken wie der Nanoindentation, dem Tapping-Modus und der Lateral Force Mikroskopie (LFM) konzentriert sich diese Arbeit in besonderem Maße auf den PeakForce-Tapping-Messmodus. In diesem Messmodus wird der Federbalken des Rasterkraftmikroskops mit einer Frequenz von etwa 2 kHz oszilliert, während er die Probe abrastert. Dabei wird die Messspitze am Ende des Federbalkens in jeder Periode der Oszillation kurz in die Probenoberfläche gedrückt und eine Kraft-Kurve des Eindringvorgangs aufgenommen. Auf diese Weise kann die laterale Verteilung von nanomechanischen Oberflächeneigenschaften hochaufgelöst aufgenommen werden. Durch die systematische Variation der Oberflächenbeschichtungen und der Messparameter wurden die Anwendbarkeit sowie die Limitierungen dieser Technik für Proben mit sehr unterschiedlichen viskoelastischen Eigenschaften im trockenen und flüssigen Messmedium validiert. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden Oberflächen von humanen Antikörpern (Immunoglobulin M und Immunoglobulin G) topographisch und mechanisch mit wenigen Nanometern Ortsauflösung vermessen. Dies ermöglichte die Charakterisierung von funktionalen Untereinheiten dieser hochkomplexen Makromoleküle. In weiteren Messungen wurde der strukturelle Aufbau von halbkristallinem Polypropylen tiefenaufgelöst untersucht. Ein Vergleich der nanomechanischen Eigenschaften der Oberfläche mit denen im Probeninneren ließ auf die Existenz einer dünnen amorphen Schicht (ca. 10 nm Dicke) direkt an der Probenoberfläche schließen. Zudem wurden strukturelle Inhomogenitäten im Material identifiziert, die den Eigenschaften von Defektregionen zugewiesen wurden. Zur Validierung der oben genannten Messtechniken dienten außerdem weiche bioaktive Peptidpolymer-Oberflächen. Diese synthetischen Oberflächen besaßen nanoskalige zellabweisende und für Zellen attraktive Bereiche, die beim Aufquellen ihre mechanischen Eigenschaften veränderten. Außerdem wurde der Einfluss des PH-Wertes in nanoskopische Reibungskraftmessungen von Silizium-Oberflächen untersucht.

This thesis focusses on the description, the characterization and the comparison of atomic force microscopy (AFM) based methods for the nanomechanical analysis of complex, structured surfaces. In this context, different synthetic and biological samples with nanoscale surface structures were prepared and characterized using AFM modes, dedicated to assess viscoelastic surface properties with high resolution. The measurements presented in this work were performed with atomic force microscopes in nano-indentation experiments, in lateral force measurements and in tapping mode. A special focus in this work was on the PeakForce Tapping mode. In this AFM mode the cantilever is oscillated with about 1 – 2 kHz while it is scanned over the sample surface. During each period of the oscillation the tip of the cantilever touches the sample surface and a force-curve of the indentation process is acquired. This allows the measurement of nanomechanical surface properties with high lateral resolution. By systematical varying the sample surfaces and the parametrization of the experimental setup, the applicability as well as the limitations of the used measurement modes were validated in air and in liquid environment. In a set of experiments the surface of human Immunoglobulin M and Immunoglobulin G antibodies were characterized by measuring the topography and the viscoelastic properties with a lateral resolution of a few nanometers. The resolution of these experiments allowed to image structural subunits of these complex macromolecules. Another surface material that was characterized was semi-crystalline polypropylene. In an etching series, the propylene surface was characterized layer-by-layer to obtain a depth resolved nanomechanical description of the semi-crystalline structure. A quantitative comparison of the different layers showed strong evidence for the existence of an amorphous (10 nm) surface layer on the untreated sample. Additionally, structural inhomogeneities within the material structure were identified. Furthermore, structured peptide-polymere surfaces were characterized to show the applicability of the techniques for bioactive, soft and sellable surfaces. A change of the nanomechanical properties of the different surface patches was observed and quantified. Additionally the ph-dependence of the friction between sharp silicone and polystyrene tips and a cleaned silicone surface was characterized in nanoscale measurements.