AFM-basierte Desorption einzelner oberflächenadsorbierter Polyelektrolyte

Die Adhäsion von Polymeren an festen Oberflächen ist von großem
wissenschaftlichen Interesse. Ebenso bedeutend ist die
Polymerhaftung aber auch für eine Vielzahl industrieller
Anwendungen. Bei Klebungen beispielsweise kommt der Adhäsion von
Polymeren, die zwei Oberflächen überbrücken, besonderes Interesse
zu. Die außergewöhnlichen Materialeigenschaften von Biomineralien
und damit verbunden ihre Bedeutung für die Entwicklung zukünftiger
Werkstoffe basieren auf der Wechselwirkung von Biopolymeren mit
Mineraloberflächen. Eine gezielte Materialentwicklung mit
vorhersagbaren Hafteigenschaften ist derzeit jedoch wegen des
eingeschränkten Wissens über die zugrundeliegenden molekularen
Mechanismen und Wechselwirkungen der Polymeradsorption noch nicht
in zufriedenstellender Weise möglich. AFM-basierte
Kraftspektroskopie ermöglicht die Untersuchung von Konformationen
und Wechselwirkungen von Makromolekülen sowie die hochpräzise
Bestimmung inter- und intramolekularer Kräfte. Desorptionsmessungen
an einzelnen oberflächenadsorbierten Polyelektrolytketten können
dabei zu einem besseren Verständnis der molekularen
Wechselwirkungen beitragen. Sie ermöglichen die hochpräzise
Quantifizierung der Wechselwirkungskraft zwischen Polymer und
Oberfläche. Darüber hinaus bietet eine gesteuerte Veränderung der
experimentellen Bedingungen und damit der Desorptionskraft
Einsichten in die unterschiedlichen Wechselwirkungen. Im Fall
oberflächenüberbrückender Polymere adsorbiert die Polymerkette auf
zwei Oberflächen, die sozusagen in Konkurrenz zueinander stehen, so
dass kompetitive Aspekte der Adhäsion eine wichtige Rolle spielen
können. Im Rahmen dieser Arbeit konnte mit AFM-Desorptionsmessungen
erfolgreich veranschaulicht werden, dass die Adhäsionseigenschaften
beider Oberflächen berücksichtigt werden müssen. Daraus ergibt sich
zum Beispiel eine Abhängigkeit der Länge des überbrückenden
Polymersegments von der Dichte der Moleküle auf der Oberfläche, da
benachbarte Moleküle die Wechselwirkung des Polymers mit der
Oberfläche örtlich einschränken können. Intra- und intermolekulare
Wechselwirkungen können zudem zu einem konturlängenabhängigen
Dissoziationsverhalten des Polymers führen, das in Unterschieden
der gemessenen Desorptionskraft resultiert. Bei Biomineralien
mangelt es an Wissen über die Struktur der häufig sauren
Makromoleküle und die komplexen Wechselwirkungen mit den
Mineraloberflächen. An einem Modellsystem aus Polyglutaminsäure und
Calcit konnte gezeigt werden, dass mit AFM-Desorptionsmessungen
dieses molekulare Zusammenspiel von Wechselwirkungen auf der Basis
von Wechselwirkungskräften sehr detailliert untersucht werden kann.
Dies ist notwendig, da geringe Veränderungen auf der molekularen
Skala große Effekte auf der makroskopischen Skala hervorrufen
können. Es stellte sich außerdem heraus, dass
Hochenergiekristallflächen von Calcit in guten Lösungsmitteln ohne
stabilisierende Polymeradditive nicht existieren können, sondern
sich in die stabile Calcit (104)-Fläche umwandeln.