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