D23 Messung der Van-der-Waals-Kräfte

Thema

Auf sauberen, trockenen Oberflächen sind Van-der-Waals-Kräfte letztendlich für die Haftung von Insektenpilzen verantwortlich. Obwohl diese Haftstrukturen unter anderen Bedingungen auch von anderen Mechanismen abhängen, ist es bei Abwesenheit von Wasser oder Verunreinigungen die Van-der-Waals-Kraft, die auf atomarer Ebene zwischen der Pilzoberfläche und dem Substrat wirkt und den gesamten Haftkontakt aufrechterhält. Dadurch bleibt der Pilz ohne Feuchtigkeit oder zusätzliche Haftsubstanzen an der Oberfläche haften.

Die direkte Messung dieser Van-der-Waals-Kraft erfordert einen speziellen Betriebsmodus des Rasterkraftmikroskops, den sogenannten berührungslosen Modus. In diesem Modus schwingt der Cantilever kontinuierlich mit seiner Resonanzfrequenz, ohne die Oberfläche zu berühren. Der Gradient der auf die Spitze wirkenden Van-der-Waals-Kraft bewirkt eine proportionale Verschiebung dieser Resonanzfrequenz. Genau diese Frequenzverschiebung wird als Messsignal erfasst.

Diese Frequenzverschiebung entspricht nicht immer demselben Van-der-Waals-Kraftregime: Bei Abständen unter zehn Nanometern dominiert die sogenannte Hamaker-Kraft, während bei größeren Abständen elektromagnetische Verzögerungseffekte, beschrieben durch Casimir-Polder-Streuung, auftreten und die Kraft von der Hamaker-Näherung abweichen lassen.

Die Größe dieser Hamaker-Kraft bei kurzen Abständen ist eine fundamentale Eigenschaft des Systems, die als Hamaker-Konstante bekannt ist. Ihr Wert hängt von den dielektrischen Eigenschaften der Kontaktmaterialien ab. Das bedeutet, dass jede Materialkombination zu einer anderen Hamaker-Konstante führt. Um diese Konstante möglichst genau zu berechnen, muss die Lifshitz-Theorie angewendet werden, die das gesamte Spektrum der elektromagnetischen Fluktuationen beider Materialien integriert, anstatt sie als einfache Körper zu behandeln.

Zur experimentellen Bestimmung der Hamaker-Konstante werden Kurven der Resonanzfrequenzverschiebung in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Spitze und Oberfläche aufgezeichnet. Durch Anpassen des Hamaker-Modells an diese Kurven lässt sich aus rein experimentellen Daten ein numerischer Wert für die Konstante gewinnen. Die Anwendung dieses Verfahrens auf auf hydrophilen Substraten ruhende Kutikulapilze liefert Hamaker-Konstanten in der Größenordnung von 50 Zeptojoule, die überraschenderweise denen des Systems Chitin, Wasser und Glas ähneln.

Diese scheinbar kleine Hamaker-Konstante bewirkt, dass der resultierende Adhäsionsdruck eine Million Pascal übersteigt, wenn der Abstand zwischen Pilz und Oberfläche auf nur einen Nanometer reduziert wird. Genau dieser hohe Adhäsionsdruck erklärt, wie ein Pilz mit einem Radius von nur 100 Nanometern dank Van-der-Waals-Kräften Adhäsionskräfte in der Größenordnung von Nanonewton auf sauberen, trockenen Oberflächen erzeugen kann.

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