Raster-Kraft-Mikroskop für schnelle, nanomechanische und elektrochemische Charakterisierung

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529852963

Unsere Forschungen auf den Gebieten der Physik, der Nanotechnologie und der Zellbiologie erfordern ein Raster-Kraft-Mikroskop (AFM) mit Nanometer-Auflösung, was neben nanoskaliger Elektrochemie, die nanomechanische Charakterisierung von adhäsiven biologischen Proben unter physiologischen Bedingungen mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht. Das 2. Physikalische Institut (PI2, Hauptantragsteller), mit Forschungsfokus in der DANN-Nanotechnologie und Nanophotonik, wird das AFM zur morphologischen Charakterisierung von DANN-Origami-basierten Nano- und Mikrostrukturen sowie deren Dynamik einsetzen. Weiterhin verwendet das PI2 die AFM-basierte elektrochemische Raster-Mikroskopie (SECM), bei der elektrochemische Reaktionen unterhalb der AFM-Spitze mit Nanometer-Auflösung aktiviert und beobachtet werden können, um dynamische nanophotonische (Polymer-)Metaoberflächen mit verschiedenen Funktionen, z.B. Holographie, zu realisieren. Die gleiche Technik wird am 4. Physikalischen Institut zur Charakterisierung des An- und Abschwellens von leitfähigen Polymeren eingesetzt werden. Das Institut für Biomaterialien und biomolekulare Systeme wird das AFM verwenden um die Funktion und Regulation von Transportprozessen durch biologische Membranen zu erforschen. Auch wird untersucht inwiefern sich die biologische Zellreaktion durch statische und dynamischen Materialeigenschaften von 2D- und 3D- Hydrogelen beeinflussen lässt. Das Institut für Zellbiologie und Immunologie wird das AFM benutzen um die Zell- und Gewebemechanik sowie den Einfluss der Mikroumgebung auf Epithelzellen zu untersuchen. AFM-Studien an typischen Proben, z.B. komplexe DANN-Origami-Architekturen, Metaoberflächen, Hydrogele, Zellen und zelluläre Nachbildungen sowie deren elementaren Bausteinen (z.B. DANN-Origamis, Biomoleküle, TOM-(Translokasen der äußeren Membran) Komplexe, Polymer- und Metallnanostrukturen) müssen mit nanoskaliger Auflösung und unter kontrollierbaren (physiologischen) Bedingungen durchgeführt werden. Im Gegensatz zur Elektronen- und optischer Mikroskopie bietet ein dem aktuellen Stand der Technik entsprechendes AFM die Möglichkeit solche Studien durchzuführen, weshalb sich die Methode in den Nanowissenschaften und der Zellbiologie etabliert hat. Das beantragte AFM muss Aufnahmen mit höchster Auflösung und Geschwindigkeit (mind. 7 Bilder/Sekunde), AFM-basierte SECM (mind. Sub-100nm Auflösung) und Kraftspektroskopie ermöglichen, kompatibel mit invertierbaren Mikroskopen sein und im Spitzen-Raster-Modus betrieben werden können. Ein mit oben genannten Funktionalitäten ausgestattetes AFM ist momentan nicht an der Universität Stuttgart vorhanden. Wir sind daher in höchstem Maße auf dessen Anschaffung angewiesen um neue Einblicke in die Assemblierung und Dynamik von (hybriden) DANN-basierten Architekturen und Polymer-basierten Metaoberflächen, die Transportprozesse durch biologische Membranen, die Hydrogel-kontrollierte Zellreaktionen sowie die Physiologie von Epithelzellen und Gewebe zu erlangen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Raster-Kraft-Mikroskop für schnelle, nanomechanische und elektrochemische Charakterisierung
• Gerätegruppe: 5091 Rasterkraft-Mikroskope
• Antragstellende Institution: Universität Stuttgart
• Leiterin: Professorin Dr. Laura Na Liu