Magnetische Nanoanalytik: Spinabhängige Abbildung
Halbleiterbauelement-Analytik: Rasterkapazitätsmikroskopie und -Spektrokopie
Optische Nanoanalytik: Nahfeldmikroskopie und -Spektroskopie
Nanoanalytik organischer Systeme: Kryo-Rasterkraftmikroskopie

Nanoanalytik organischer Systeme:
Kryo-Rasterkraftmikroskopie

Verbundpartner:
Beiersdorf AG, Zentralanalytik
Zentrum für Mikrostrukturforschung, Universität Hamburg

Motivation

Immer detailliertere Kenntnisse über den Aufbau und die Wirkungen von Produkten des täglichen Bedarfs sind erforderlich, um diese zu verbessern und deren Nutzen für den Verbraucher zu erhöhen. Mit der Weiterentwicklung der Rastersondenmethoden ist die Abbildung einer Vielzahl verschiedener Proben auf atomarer Skala möglich geworden. Bei biologischen Proben begrenzt jedoch die intrinsische Weichheit der Probenoberfläche die Auflösung.

Eine Immobilisierung der Oberfläche durch den Einsatz von Kryotechniken kann dieses Problem umgehen. Als Standard in der Elektronenmikroskopie bereits seit langem etabliert, wurde dieses Verfahren bisher noch nicht in der Rastersondenmethodik verwendet. Am Institut für Angewandte Physik der Universität Hamburg wurde daher im Rahmen des Vorgängerprojekts des vorliegenden BMBF-Projekts in den letzten drei Jahren ein Rasterkraftmikroskop entwickelt, welches bei tiefen Temperaturen arbeitet und speziell für die Abbildung weicher, schockgefrorener biologischer Oberflächen konzipiert wurde. Durch diese neuartige Kombination von Rasterkraftmikroskopie und Kryo-Technologie hofft die Beiersdorf AG, neue Erkenntnisse über die Schutzwirkung von Lichtfiltern, Ursachen der Hautalterung, Auswirkungen verschiedener Haarbehandlungsmethoden und über Aufbau und Wirkung von Emulsionen zu erzielen. Auf dem Sektor der Klebetechnologie werden ebenfalls neue Erkenntnisse erwartet, z. B. zur Homogenität von Klebmassen oder zur Optimierung von Klebeigenschaften.

Zielsetzung

Das für den oben genannten Einsatzzweck entwickelte Rasterkraftmikroskop (RKM) weist gleich mehrere Besonderheiten auf: So stellt es nicht nur ein Gerät dar, welches auf einem Durchflußkryostat basierend im Ultrahochvakuum einen in situ Proben- und Messsondenwechsel und volle Temperaturvariabilität von 100 K bis Raumtemperatur bietet; das Design ermöglicht es auch, dank eines ausgeklügelten Probentransfer- und Präparationsmechanismus schockgefrorene Proben in kaltem Zustand zwischen dem Kryo-RKM der Universität und den in der Zentralanalytik von Beiersdorf verwendeten Kryo-Transmissionselektronenmikroskop (Kryo-TEM) und Kryo-Rasterelektronenmikroskop (Kryo-REM) auszutauschen, wodurch erstmals einander ergänzende Untersuchungen der zueinander komplementären Methoden Kryo-RKM, Kryo-TEM und Kryo-REM möglich werden.

Als typische Anwendung aus der Kosmetiksparte von Beiersdorf soll das neu entwickelte Kryo-RKM weitergehende Informationen über die Wechselwirkungen zwischen Emulsionen (Cremes, Bodylotions, etc.) und der Haut liefern. Von besonderem Interesse sind dabei genaue Informationen über das Phasenverhalten von Emulsionen, über Größe und Verteilung teilchenförmiger Inhaltsstoffe, eine Unterscheidung verschiedener Wasserphasen und Aussagen über die Struktur der Grenzflächen zwischen Fett- und Wasseranteilen. Zur Unterscheidung zwischen Fett- und Wasserphasen soll insbesondere ein neuartiger Messmodus implementiert werden, bei welchem eine ansonsten über der Probe oszillierende Spitze vorsichtig auf die Probe "klopft", um dann aus der Reaktion des Materials (lokale Deformation während des Kontakts) auf die lokale Elastizität zu schliessen. Für den Nachweis der Produktwirkung sind Art und Umfang von Befeuchtungsvorgängen und die inter- oder intrazellulären Fetttransportmechanismen respektive deren Auswirkungen auf die Barrierefunktion der Haut zu untersuchen.

Zu typischen Untersuchungszielen aus der Klebtechnologie gehören die Verankerung von Klebmassen auf unterschiedlich vorbehandelten Trägern und die Aufklärung von Vernetzungsmechanismen und der Homogenität von Klebmassen. Durch geeignete Vorbehandlung des Trägers läßt sich das Anbindeverhalten gezielt verbessern. Genauere Untersuchungen der Klebmassenoberseite müssen jedoch wegen der Mobilität der Polymerketten bei Raumtemperatur vorzugsweise im Kryomodus ausgeführt werden. Die Feinststruktur der Grenzfläche zwischen Folie und Klebmasse kann in Hochauflösung elegant durch das Kryo-RKM analysiert werden. Die Änderung der Klebkräfte bei variabler Temperatur liefert zusätzliche Hinweise auf die Anbindung an die Grenzschicht.