Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nasse Atome: Oberflächenstrukturen störungsfrei abbilden

16.04.2014

Mainzer Physiker macht atomare Strukturen von Oberflächen auch in zähen Flüssigkeit sichtbar. Neue Messtechnik hilft bei Entwicklung von Brennstoffzellen.

Stefan Weber, Physiker am Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P), hat eine Methode entwickelt, mit der die Struktur von Oberflächen in verschiedenen Flüssigkeiten mit unerreichter Genauigkeit gemessen und abgebildet werden kann.


Stefan Weber bildet mit seinem Rasterkraftmikroskop atomare Strukturen ab.

© S. Imhof/MPI-P


Eigenentwicklung: Stefan Webers Rasterkraftmikroskop: Stefan Webers Rasterkraftmikroskop

© S. Imhof/MPI-P

Webers 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.

Weber gelang es nun, in solch einer zähflüssigen Umgebung die Struktur von Oberflächenatomen abzubilden – und das mit erstaunlich geringem Rauschen und fast ohne Bildstörungen. Die Flüssigkeit war sogar 30mal so zähflüssig wie Wasser. Zusammen mit Forschern des University College Dublin (Irland) hat Weber den Einfluss der Zähigkeit (auch Viskosität genannt) auf das Rauschen der Messungen untersucht. Der Mainzer Physiker stellt die Ergebnisse nun zusammen mit den irischen Wissenschaftlern in der Fachzeitschrift Nanotechnology vor.

"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 u.a. bei der Entwicklung von effektiveren Brennstoffzellen und die Batterietechnik hilfreich sind.

Stefan Weber forscht seit 2012 am MPI-P im Arbeitskreis von Direktor Hans-Jürgen Butt. Schon während seiner Promotion und als Postdoc in Dublin setzte er sich mit der Rasterkraftmikroskopie auseinander und entwickelte das Verfahren weiter. In seiner Zeit am MPI-P hat er ein bestehendes Rasterkraftmikroskop umgebaut und für rauscharme Messungen in Flüssigkeiten optimiert. Damit untersucht er grundlegende Effekte wie die molekulare Selbstorganisation an flüssig-festen Grenzflächen.

Max-Planck-Institut für Polymerforschung
Das 1984 gegründete Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) zählt zu den international führenden Forschungszentren auf dem Gebiet der Polymerwissenschaft. Durch die Fokussierung auf so genannte weiche Materie und makromolekulare Materialien ist das Max-Planck-Institut für Polymerforschung mit seiner Forschungsausrichtung weltweit einzigartig. Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus dem In- und Ausland arbeiten im Rahmen der Grundlagenforschung an der Herstellung und Charakterisierung von Polymeren und der Untersuchung ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften. Anfang 2014 sind insgesamt 518 Personen am MPI-P beschäftigt: Die Belegschaft setzte sich aus 121 Wissenschaftlern, 147 Doktoranden und Diplomanden, 76 Stipendiaten und 174 technischen und Verwaltungsangestellten sowie Hilfskräften zusammen.

Weitere Informationen:

http://www.mpip-mainz.mpg.de/news/nasse_atome - Hintergründe und Details auf der Homepage des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung
http://iopscience.iop.org/0957-4484/25/17/175701/ - Das Paper auf der Webseite von Nanotechnology

Stephan Imhof | Max-Planck-Institut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Fraunhofer IMWS entwickelt biobasierte Faser-Kunststoff-Verbunde für Leichtbau-Anwendungen
23.04.2018 | Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

nachricht Ein Wimpernschlag vom Isolator zum Metall
17.04.2018 | Forschungsverbund Berlin e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

Das Kleben der Zellverbinder von Hocheffizienz-Solarzellen im industriellen Maßstab ist laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Anlagenhersteller teamtechnik marktreif. Als Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojekts »KleVer« ist die Klebetechnologie inzwischen so weit ausgereift, dass sie als alternative Verschaltungstechnologie zum weit verbreiteten Weichlöten angewendet werden kann. Durch die im Vergleich zum Löten wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen können vor allem temperatursensitive Hocheffizienzzellen schonend und materialsparend verschaltet werden.

Dabei ist der Durchsatz in der industriellen Produktion nur geringfügig niedriger als beim Verlöten der Zellen. Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung wurde...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Im Focus: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neuer Impfstoff-Kandidat gegen Malaria erfolgreich in erster klinischer Studie untersucht

25.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Erkheimer Ökohaus-Pionier eröffnet neues Musterhaus „Heimat 4.0“

25.04.2018 | Architektur Bauwesen

Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

25.04.2018 | Energie und Elektrotechnik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics