D21 Rasterkraftmikroskopie (AFM)

Thema

Die Wechselwirkungskraft zwischen einer winzigen Spitze und einer Oberfläche lässt sich im Nanobereich mithilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM) messen. Diese Technik wird direkt auf die Haftborsten von Insekten, ihre Kutikula und verschiedene Substrate angewendet.

Im Kraft-Abstands-Kurvenmodus nähert sich die AFM-Spitze der Oberfläche und entfernt sich wieder. Während dieser Bewegung wird die Auslenkung des die Spitze haltenden Cantilevers aufgezeichnet, abhängig von der genauen Position, in die ein piezoelektrisches Element die Spitze bewegt. Diese Cantilever-Auslenkung ist im Wesentlichen das Rohsignal, aus dem die gesamte Wechselwirkungskraft extrahiert wird.

Um diese Cantilever-Auslenkung in einen realen Kraftwert umzurechnen, ist eine genaue Kalibrierung der Federkonstante des Cantilevers unerlässlich. Saders Methode erreicht diese Kalibrierung auf besonders elegante Weise: Sie setzt die Federkonstante in Beziehung zur Resonanzfrequenz und zum Gütefaktor des Cantilevers selbst, während dieser in der Flüssigkeit schwingt, ohne dass ein externer Kraftreferenzstandard zum Vergleich benötigt wird.

Nach der Kalibrierung des Cantilevers kann der Näherungszweig der Kraft-Abstands-Kurve mithilfe des Hertzschen Modells angepasst werden, um den Elastizitätsmodul der Probe zu bestimmen. Diese Anpassung funktioniert, da bei einem sphärischen elastischen Kontakt, wie dem zwischen der AFM-Spitze und der Oberfläche, die Kraft mit der Eindringtiefe hoch dreieinhalb zunimmt – eine charakteristische Beziehung für diese Art von Kontakt.

Bei besonders kleinen und starren AFM-Spitzen mit einem Radius von weniger als 20 Nanometern ist das Hertzsche Modell nicht mehr geeignet, und stattdessen wird das DMT-Modell angewendet. Dieses Modell setzt die zum Ablösen der Spitze von der Oberfläche benötigte Kraft, die sogenannte Ablösekraft, direkt in Beziehung zur Dupré-Adhäsionsenergie zwischen ihnen, ohne dass die Verformung der Oberfläche während des Kontakts bekannt sein muss. Angewendet auf einzelne Haftborsten des Insekts, offenbaren diese Kraftkurven etwas, was keine Durchschnittsmessung der gesamten Borstengruppe zeigen könnte: wie stark die Haftkraft von einer Borste zur anderen innerhalb derselben Haftstruktur variiert und wie sich diese Haftkraft in Abhängigkeit von der Orientierung ändert, in der die Borste mit der Oberfläche in Kontakt tritt – ein Effekt, der als Haftanisotropie bekannt ist.

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