Das Verhalten von Flüssigkeiten auf festen Oberflächen kann nun bis auf Atom-Ebene analysiert werden: Ein internationales Forscherteam hat eine Methode entwickelt, mit der Bilder von solchen Benetzungsvorgängen in 10.000-mal höherer Auflösung gemacht werden können als bisher. Die Forscher verbesserten dazu ein Rasterkraftmikroskop, bei dem eine feine Messnadel die untersuchte Oberfläche abtastet und dabei kleinste Strukturen erfassen kann. Ein genaues Verständnis des Benetzungsverhaltens ist für viele technische Anwendungen wichtig, wie etwa für beschlagresistente Windschutzscheiben, aber auch Vorgänge in Batterien und Brennstoffzellen, berichten die Wissenschaftler um Kislon Voitchovsky vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge.
Die neue Methode ermöglicht eine detaillierte Übersicht der benetzten Fläche und der dabei wirkenden Kräfte. Die Forscher können sogar verfolgen, wie einzelne Moleküle und Atome in der Flüssigkeit mit der festen Oberfläche wechselwirken. “Das war vorher undenkbar”, sagt Co-Autor Francesco Stellacci. Die hohe Auflösung erreichten Voitchovsky und seine Kollegen, indem sie die Steuerung eines gewöhnlichen Rasterkraftmikroskops veränderten. Diese Mikroskope funktionieren über eine vibrierende Messnadel, die eine zu untersuchende Oberfläche abtastet. Ihre Spitze besteht aus einer extrem feinen Biegefeder, die sich je nach Oberflächenstruktur unterschiedlich stark krümmt und so über Erhebungen und Vertiefungen informiert. Die Nadel vibriert normalerweise im Bereich von zehn bis Hunderten von Nanometern. Ein Nanometer ist der Millionstel Teil eines Millimeters.
Mit der neuen Einstellung sind es jetzt nur noch wenige Nanometer. Dadurch haben die Bilder eine 10.000-mal höhere Auflösung als herkömmliche Rasterkraftmikroskope. Einige spezialisierte Geräte liefern zwar vergleichbare Bilder; davon existiert aber weltweit nur eine Handvoll und sie sind sehr teuer. Erstaunlicherweise können die angepassten Mikroskope die hohe Auflösung nur beim Messen der Benetzung von Oberflächen erreichen: Bei anderen Anwendungen ist die Auflösung nur um das 20-fache höher als diejenige der unveränderten Rasterkraftmikroskope. Die Forscher nehmen an, dass der Grund dafür die Energieübertragung von der vibrierenden Messnadel in die Flüssigkeit ist ? dies führt bei einer kleinen Schwingungsamplitude der Nadel zu höher aufgelösten Bildern. Diese Erklärung muss jedoch in weiteren Untersuchungen noch überprüft werden.
Die neue Methode ist für verschiedene technische Anwendungen wichtig: Neben der Analyse von Prozessen in Batterien und Brennstoffzellen können damit auch biologische Vorgänge wie Interaktionen zwischen Proteinen im Detail verfolgt werden, wie Voitchovsky betont. Zudem kennt jeder das Beschlagen von Autoscheiben oder Brillengläsern ? ein alltägliches Phänomen, das nun unter dem Mikroskop genau analysiert werden kann.
Kislon Voitchovsky (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge) et al.: Nature Nanotechnology, doi: 10.1038/NNANO.2010.67 ddp/wissenschaft.de ? Thomas Neuenschwander
