Die Rasterkraft-Mikroskopie hat sich in den letzten 15 Jahren in der Mikro- und Nanosystemtechnik zu einer Standard-Analysemethode entwickelt und trägt maßgeblich zur rasanten Entwicklung in der Nanotechnologie bei. Sie erlaubt mikroskopische Aufnahmen mit millionenfacher Vergrößerung und macht so bislang unentdeckte Details sichtbar. Mikroskopische Aufnahmen lassen Halbleiteroberflächen, Bakterien und sogar einzelne Atome erkennbar werden. Das Herzstück eines Raster-Kraft-Mikroskops ist der Cantilever – eine mikroskopisch kleine Abtastnadel, nicht länger als die Dicke eines Haars. Am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau werden hochpräzise Kraftkalibriergeräte erforscht, mit denen Cantilever im Bereich weniger Nanonewton kalibriert, das heißt hochpräzise vermessen werden können. Dabei ist die Messunsicherheit, also die Fehlerquote bei der Messung, im Gegensatz zu konventionellen Kalibriergeräten, die von metrologischen Staatsinstituten entwickelt wurden, weltweit einzigartig: unter 0,3 Prozent. Prof. Thomas Fröhlich freut sich über die Zuerkennung des Thüringer Forschungspreis 2018: „Ich bin sehr stolz auf mein Team, das mit kleinen Dingen großartige Leistungen vollbringt.“

Das neue Ilmenauer Kalibriergerät wird künftig in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig für Cantilever-Kalibrierungen und für internationale Vergleichsmessungen eingesetzt. Die damit überaus exakt kalibrierten Mikrokraftsensoren sind für die Medizin, die Biologie und die Biophysik von enormer Bedeutung. So werden sie beispielsweise in der Krebsforschung eingesetzt, um nanomechanische Eigenschaften von kranken Zellen zu untersuchen. Zwar ist den Medizinern bereits bekannt, dass kranke Zellen veränderte nanomechanische Eigenschaften aufweisen, die Zusammenhänge und Ursachen sind aber noch nicht vollständig klar und können nun zum Wohle der Krebspatienten besser erforscht werden. Messungen mit solchen Mikrokraftsensoren haben auch zu einem tieferen Verständnis wichtiger Eigenschaften von Proteinen, DNA-Molekülen und anderer biologischer Strukturen beigetragen. So konnten die Kräfte, die zwischen komplementären DNA-Strängen herrschen, hochgenau gemessen werden. Für Anwendungen in der Biotechnologie oder den Live‐Sciences, sind bei der Abtastung biologischer Proben Rasterkraft-Mikroskop‐Cantilever erforderlich, die Zellen oder Biofilme nicht mechanisch beschädigen. Auch solche sehr weiche Cantilever – der Fachmann sagt dazu „mit kleiner Federkonstante“ – können nach der neuen Ilmenauer Methode kalibriert werden. Und auch die Materialwissenschaften machen sich hochpräzise Mikrokraftsensoren zunehmend zunutze: So können beispielsweise der Aufbau und die Eigenschaften sehr dünner Oberflächenbeschichtungen, zum Beispiel neuartiger Solarzellen, untersucht werden.

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Inno-Profile-Projekt „Neuartige Anwendungsfelder innovativer Kraftmess- und Wägetechnik“, stand unter der wissenschaftlichen Leitung von Dr. Falko Hilbrunner und Dr. Michael Kühnel vom Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau. Für das innovative Verfahren des Forscherteams um Prof. Thomas Fröhlich wurde bereits ein Patent erteilt.