Nano-Chemie & Analytik mit der chemischen Kraftmikroskopie

Die Chemische Kraftmikroskopie (CFM, Innovationspreis Baden-Württemberg 2003) ermöglicht die nanometergenaue topographische und spezifische chemische Abbildung beliebiger Oberflächen. Von der klassischen Kraftmikroskopie (AFM) ist eine unspezifische chemische Sensitivität im Tapping Mode und Friction Mode seit vielen Jahren bekannt. Die CFM verwendet jedoch ausschließlich chemisch einheitlich modifizierte Sondenspitzen und verschiedene liquide Abbildungsmedien, so dass immer nur eine spezifische Wechselwirkung mit der Oberfläche auftritt.

Das riesige Anwendungsfeld der CFM ist bisher nur zu einem geringen Teil erschlossen und erstreckt sich auf allen Bereichen, in denen Oberflächen beschichtet, abgetragen oder modifiziert werden und wird genutzt, wenn die chemischen und topographischen Eigenschaften von Oberflächen entscheidend sind. Interessante Einsatzgebiete finden sich in der lackverarbeitenden Industrie, wo es darauf ankommt, Oberflächen für eine gute Haftung von Lack, zum Beispiel durch Plasmabehandlung, vorzubereiten. Adhäsionseigenschaften, Homogenität und Behandlungsbreite von Plasmabehandlungen lassen sich mit der CFM gut bestimmen. Weitere Felder sind die Korrosion oder die Beschichtung von Oberflächen. Ein Beispiel für eine Anwendung der CFM an weichen Oberflächen in chemisch definiertem Medium ist die Zellbiologie. Weitere Einsatzgebiete der CFM finden sich in der Druckindustrie und der Haarforschung. In der Forschung an Haaren hilft die CFM, die für die Wirkung von Haarpflegemitteln entscheidenden komplexen chemischen Verhältnisse der Haaroberfläche besser zu verstehen. Auch einzelne Wirkstoffmoleküle lassen sich auf der Haaroberfläche abbilden. Durch Chemisches Mapping lassen sich weitergehende chemische Informationen mit bisher unerreichter Informationstiefe erhalten. Die CFM ermöglicht so Herstellern von Haircare eine beschleunigte Entwicklung gezielt wirkender neuer Produkte. (Animation).


Definierte chemische Modifikations-Möglichkeiten, CFM-Flyer

Funktionsprinzip der
Chemischen Kraftmikroskopie (CFM)

Eine speziell aufbereitete AFM-Sonde wird mittels Self-Assembly-Technik mit einer einzigen chemischen Endgruppe, wie zum Beispiel -OH, -CH3, -CF3, -NH2 oder -COOH dicht belegt. Durch die nun chemisch einheitliche Oberfläche der Sonde und durch die Verwendung von Wasser, gepufferten pH-Lösungen oder Lösungsmitteln wie Hexadekan als Abbildungsmedium wird erreicht, dass, im Gegensatz zur AFM, nur ganz spezifische Wechselwirkungen zwischen CFM-Sonde und der abzubildenden Oberfläche auftreten. Damit wird eine chemische Selektivität der CFM-Sonde erzielt. Die Stärke der an einem Ort der Oberfläche gemessenen spezifischen Wechselwirkung erlaubt Rückschlüsse über die Dichte der spezifisch detektierten chemischen Endgruppen der Oberfläche. Beim zeilenweisen Abtasten der Oberfläche wird die Chemische Sonde an jedem Messpunkt mit der Oberfläche in Kontakt gebracht und wieder getrennt (Digitaler Pulsed Force Mode). Bei diesem physikalischen Vorgang werden simultan die Topographie, die Stärke/Energie der Wechselwirkung, die Steifigkeit der Oberfläche und einige weitere Größen bestimmt und jedem Bildpunkt zugeordnet.