Nasse Atome störungsfrei abbilden
Messtechnik macht atomare Strukturen von Oberflächen auch in zähen Flüssigkeit sichtbar.
Forscher haben eine Methode entwickelt, mit der sie die Struktur von Oberflächen in verschiedenen Flüssigkeiten mit unerreichter Genauigkeit messen und abbilden können. Das Verfahren basiert auf Messungen mit dem Rasterkraftmikroskop und ist in der Lage, atomare Strukturen an Oberflächen im Detail abzubilden. Bislang ist das ausschließlich in dünnflüssigen Lösungen wie Wasser gelungen. Zähere Flüssigkeiten wie zum Beispiel Öle oder Elektrolyte erschweren diese Messungen erheblich.
Abb.: Marke Eigenbau – Stefan Webers Rasterkraftmikroskop. (Bild: S. Imhof / MPI-P)
Stefan Weber, Physiker am Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) gelang es nun gemeinsam mit Kollegen aus Dublin, in solch einer zähflüssigen Umgebung die Struktur von Oberflächenatomen abzubilden – und das mit erstaunlich geringem Rauschen und fast ohne Bildstörungen. Die Flüssigkeit war sogar 30-mal so zähflüssig wie Wasser. Das Team hat den Einfluss der Viskosität auf das Rauschen der Messungen untersucht. „Eine so hohe Auflösung in zähflüssigen Lösungen zu erreichen, ist beeindruckend", sagt Weber. „Diese Erkenntnisse helfen uns bei vielen praktischen Problemen weiter. Zum Beispiel enthalten Brennstoffzellen oder elektrochemischen Batterien viskose Flüssigkeiten." Webers Methode ist prädestiniert, diese atomar genau zu vermessen.
Rasterkraftmikroskopie ist eine etablierte Methode, um Bilder von atomaren Strukturen an Oberflächen zu erzeugen. Dafür tastet eine Messnadel, an ihrer Spitze selbst nicht mehr als einige Atome breit, die Oberfläche einer Probe ab. Die Nadel ist Teil eines elastischen Federarms (Cantilever), der Kräfte registriert, die zwischen den Oberflächenatomen und den Atomen an der Nadelspitze wirken. Um höchste Auflösungen zu erreichen, lässt man die Nadel schwingen. Zähere Flüssigkeiten als Wasser dämpfen diese Schwingungen. Daraus resultiert ein Rauschen, das das Messen der feinen Oberflächenkräfte erschwert.
Stefan Weber experimentierte mit einem Glyzerin-Wasser-Gemisch auf einer Graphitoberfläche, um den Einfluss des Rauschens systematisch zu ermitteln. „Zu meiner Überraschung war das Bild erstaunlich klar und beinahe rauschfrei“, erinnert sich Weber. Unter anderem stellte sich heraus, dass es entscheidend war, die Schwingungsamplitude des Cantilevers kleiner einzustellen als den Durchmesser der Moleküle der Flüssigkeit. Mit diesen Erkenntnissen könnten viele offene Fragen der Oberflächenphysik neu aufgerollt werden, die beispielsweise bei der Entwicklung von effektiveren Brennstoffzellen und die Batterietechnik hilfreich sind.
MPI-P / PH
