Rasterkraftmikroskopie am Einzelmolekül

  • Abb. 1: (a) Aufbau eines AFMs zur Einzelmolekülmessung. (b) Um ein einzelnes Polymer an eine Si3N4 AFM Blattfederspitze kovalent zu binden, wird diese bspw. mit einem PEG-Linker-Molekül modifiziert. Hierzu ist eine passende Endfunktionalisierung des anzubindenden Polymers (für Anbindung an Maleimide-terminiertes PEG) nötig.Abb. 1: (a) Aufbau eines AFMs zur Einzelmolekülmessung. (b) Um ein einzelnes Polymer an eine Si3N4 AFM Blattfederspitze kovalent zu binden, wird diese bspw. mit einem PEG-Linker-Molekül modifiziert. Hierzu ist eine passende Endfunktionalisierung des anzubindenden Polymers (für Anbindung an Maleimide-terminiertes PEG) nötig.
  • Abb. 1: (a) Aufbau eines AFMs zur Einzelmolekülmessung. (b) Um ein einzelnes Polymer an eine Si3N4 AFM Blattfederspitze kovalent zu binden, wird diese bspw. mit einem PEG-Linker-Molekül modifiziert. Hierzu ist eine passende Endfunktionalisierung des anzubindenden Polymers (für Anbindung an Maleimide-terminiertes PEG) nötig.
  • Abb. 2: Prinzip von Reibungsmessungen anhand einer hydrophoben (Methyl-terminierten) Oberfläche. Die vertikale Kraft Fz gegen den vertikalen Abstand zur Oberfläche z (rot) zeigt ein Plateau konstanter Kraft. Hierbei wird das Polymer Monomer für Monomer aus dem Potential der Oberfläche gezogen. Für das laterale Ziehen ist die vertikale Kraft Fz gegen lateralen Abstand x (blau/schwarz) gezeigt.
  • Abb. 3: Vertikale Kraft Fz gegen lateralen Abstand x. (a) Polystyrol auf PTFE in H2O zeigt Desorptionshaftung gefolgt von einem Gleitvorgang. (b) Schematische Darstellung der Desorptionshaftung. (c) Polyglutaminsäure in H2O zeigt auf hydrophober Terminierung (H) Gleiten, aber auf hydrophiler O-terminierter Diamantoberfläche kooperatives Haften. (d) Schema des kooperativen Haftens.

Rasterkraftmikroskopie bietet einen Einblick in das Gleitverhalten eines einzelnen Polymers an einer Lösungsmittel-/Festkörper-Grenzfläche. Die Untersuchung des Reibungsverhaltens einzelner Moleküle ist für das Verständnis von Reibung, Schmierung und Verschleiß bei mechanischen Bauteilen und biologischen Systemen von grundlegender Bedeutung.

Im täglichen Leben ist das Thema Tribologie (griechisch: Reibungslehre) allgegenwärtig. Ohne Reibung wäre es nicht möglich, mit einem Stück Kreide auf einer Tafel zu schreiben. Andererseits führt Reibung zu Verschleiß, der gerade bei technischen Bauteilen zu einem verfrühten Versagen führen kann. Dies erstreckt sich von Motoren-, Getriebe- und Achsenteilen im Automobilbereich bis hin zu beweglichen Teilen magnetischer Speichermedien in der Informationstechnologie. Der volkswirtschaftliche Schaden durch reibungsbedingten Verschleiß wird hierbei auf ungefähr 5 % des Bruttosozialprodukts der BRD geschätzt [1].

Die zunehmende Miniaturisierung, wie bei heute in Airbag- Auslösesystemen verwendeten mikroelektromechanischen Bauelementen (engl. Micro Electro Mechanical Systems, MEMS), vergrößert die Bedeutung der Mikro- und Nanometerskala für technische Anwendungen. Deshalb ist es von essentieller Bedeutung, das Phänomen der Reibung auf dieser Größenskala zu untersuchen.

Auf der Suche nach dem einzelnen Molekül
Seit seiner Erfindung 1986 hat sich das Rasterkraftmikroskop (english: Atomic Force Microscope, AFM) [2] als wichtige Methode zur Oberflächenanalyse etabliert. Hierbei ist eine Blattfeder auf einem durch Piezolelemente in allen drei Raumrichtungen bewegbaren System gelagert. Diese Blattfeder kann durch molekulare Wechselwirkungen (Pico- bis Nanonewton) verbogen werden. Um diese nur wenige Nanometer kleine Verbiegung auszulesen, wird oft das Lichtzeigerprinzip verwendet, wobei ein auf die Blattfederrückseite fokussierter Laserstrahl auf eine segmentierte Photodiode reflektiert wird (Abb. 1a). Mithilfe des AFMs lassen sich Oberflächen mit einer lateralen und vertikalen Auflösung bis zu 0,1 nm abbilden, was der Größe eines Atoms entspricht.

In den 1990er Jahren wurde das AFM aufgrund seiner Fähigkeit Kräfte bis in den Piconewton- Bereich zu detektieren (abhängig von der Federkonstante der Blattfeder), zunehmend zur sog.

Kraftspektroskopie eingesetzt. Hierbei werden gezielt einzelne Moleküle zwischen der Blattfederspitze und einer Oberfläche gestreckt, so dass inter- und intramolekulare Wechselwirkung detektiert werden können. Diese erstreckt sich von der Faltung von Proteinen [3], der Konformationsänderung von durch Licht schaltbaren Einzelmolekülen [4] bis zur Bestimmung der Haftung auf festen Substraten. Eine weitere Entwicklung dieser Methode erlaubt es, die Reibung einzelner Moleküle zu messen [5]. Ein besonderer Vorteil des AFMs ist es, Messungen unter diversen Umweltbedingungen durchzuführen. So können biologische Systeme unter physiologischen Bedingungen in wässrigen Puffern, aber auch anorganische Moleküle in Lösungsmitteln wie Tetrahydrofuran oder Chloroform gemessen werden.

Ein Polymer an die Spitze
Um ein einzelnes Polymer über viele Messungen unter verschiedenen Umgebungsbedingungen einsetzen zu können, hat es sich als sinnvoll erwiesen, dieses kovalent an die Spitze der AFM Blattfeder zu binden.

Die anzubindenden Polymere müssen eine selektive Funktionalität haben, die spezifisch an die mit einem Linker funktionalisierte Spitze binden kann. Zur Anbindung eignen sich aufgrund der verwendeten Materialien der Spitze, wie Siliziumnitrid (Si3N4) oder Gold, die Aminosilan- bzw. Goldthiol sowie die Aktivesterchemie [6]. Exemplarisch ist dies in Abb.1b für ein ultrahochmolekulares und Thiol-terminiertes Polystyrol gezeigt.

Um geeignete und hinsichtlich ihrer Konstitution und Länge einheitliche Modell-Polymere mit speziellen chemischen Gruppen für eine solche Blattfederspitzen-Funktionalisierung zu generieren, bieten sich sogenannten kontrollierte oder lebende Polymerisations- Methoden an.

Reibungsmessung von einzelnen Polymeren
Eine mit einem Polymer funktionalisierte Blattfederspitze wird in Kontakt mit einer Oberfläche gebracht und in diese leicht eingedrückt, um dann wieder von dieser entfernt zu werden. Hierbei wird das Polymer von der Oberfläche desorbiert. Ist ein gewünschter Abstand in z-Richtung erreicht, der mit einer auf der Oberfläche adsorbierten Restlänge des Polymers korrespondiert, wird die Bewegung in z-Richtung gestoppt. Nun kann die Blattfeder lateral bewegt während sich das Polymer immer noch in Kontakt mit der Oberfläche befindet (Abb. 2)

Das laterale Ziehen eines Polymers kann abhängig vom Lösungsverhalten und der chemischen Terminierung der Oberfläche verschiedene Szenarien zeigen [7,8]:

  • Im Falle geringer Reibung (Detektionslimit bei 0,1 pN) wird in der Fz gegen x Auftragung eine konstante Kraft Fz beobachtet. Das zeigt, dass das Polymer bei lateralem Ziehen der Bewegung der Blattfederspitze unter kaum messbarer Reibungskraft folgen kann. Dies ist hauptsächlich bei sehr hydrophoben Oberflächen mit Polymeren in einem guten Lösungsmittel zu beobachten.
  • Fällt die Kraft Fz mit zunehmendem x ab, wie bei Polystyrol in einem schlechten Lösungsmittel (z. B.: H2O), liegt Desorptionshaftung (english: desorption stick) vor (Abb. 3a). Das Polymer ist in einer Art Käfig (z. B. durch die „Struktur“ des oberflächennahen Lösungsmittels) gefangen und wird daran gehindert, der Bewegung der Spitze zu folgen. Dennoch kann es in Lösung desorbieren. Erreicht dabei die Kraftkomponente Fx den Betrag der Reibungskraft FR des noch auf der Oberfläche absorbierten Polymerstücks (Abb. 3b) kommt das Polymer ins Gleiten. Fz bleibt nun konstant.
  • Ein drittes Reibungsmuster tritt besonders auf hydrophilen Oberflächen auf, bei denen das Polymer und das Lösungsmittel die Ausbildung gerichteter Bindungen begünstigen (Abb. 3c). Fz wächst stark mit lateralem Abstand x an, wobei das Polymer gestreckt wird, bis es zum Bindungsbruch zwischen adsorbierten Polymersegmenten und der Oberfläche kommt (Abb. 3d). Die Rolle von Wasserstoffbrückenbindungen in diesem Fall wurde ausführlich durch Molekulardynamik- Simulationen untersucht [9,10]. 

Die Abfolge von Desorptionshaftung und Gleiten (Abb. 3a) ist vergleichbar dem makroskopischen Haftgleiten (english: stick-slip). Haftgleiten zeichnet sich für verschiedene Phänomene verantwortlich, wie dem Erzeugen von Musik durch Streichen einer Saite mittels eines Bogens oder dem Entstehen von Erdbeben durch die Reibung an Grenzen tektonischer Platten.

Mit AFM basierter Einzelmolekülmessung kann eine Vielzahl von Polymeren, wie Polystyrol oder Polyisopren aber auch biologisch relevante (DNA, Proteinsequenzen) untersucht werden. Lediglich eine Endgruppenmodifikation zur spezifischen Anbindung und eine Mindest-Ketten- oder Molekül-Länge sind hierfür notwendig. Zukünftige Entwicklungen der Nanotribologie Die Einzelmolekülkraftspektroskopie bietet einen Einblick in die Mechanismen der Reibung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche. Diese Erkenntnisse sind für das gezielte Entwickeln von Oberflächen-Terminierungen und passender Schmiermittel wichtig. Aktuelle Fragestellungen sind beispielsweise der Einsatz von Diamant-ähnlichen Kohlenstoffbeschichtungen (engl. diamond- like carbon, DLC) in der Automobilindustrie zur Erlangung geringer Reibungskoeffizienten (engl. superlubricity) [11]. Langfristig dient dies der Einsparung von Energie und Ressourcen durch gezielte Modifikation tribologischer Eigenschaften von Werkstoffen.

Literatur
[1] Gesellschaft für Tribologie e.V. , 07.27.2013
[2] Binnig G. et al.: Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986)
[3] Rief M. et al.: Science 276, 1109 (1997)
[4] Hugel T. et al.: Science 296, 1103 (2002)
[5] Kühner F. et al.: Langmuir 22, 11180 (2006)
[6] Ebner A. et al.: Unravelling the Nanoworld 285 29 (2008)
[7] Balzer B.N. und Hugel T.: Single-Molecule Detection and Manipulation. In Polymer Science: A Comprehensive Reference, Elsevier BV, (2012)
[8] Balzer B.N. et al.: Angew. Chem., Int. Ed. 52, 6541 (2013)
[9] Serr A. et al.: J. Am. Chem. Soc. 130, 12408 (2008)
[10] Erbas A. et al.: J. Am. Chem. Soc. 134, 623 (2012)
[11] Meyer F.: Bine Information Service, Energy Research for Practical Applications, A Service from FIZ Karlsruhe (2012)

 

Mehr Informationen zum Thema AFM: http://bit.ly/GIT-AFM
Mehr zur Materialforschung: http://bit.ly/Materialanalytik

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