Name: Preparación y Fricción Fuerza Microscopía mediciones de inmiscibles, opuestos polímero Cepillos (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-12-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 57 s
Description: Aprende a preparar sistemas de cepillos poliméricos inmiscibles y medir fricción mediante microscopía de fuerza de fricción. Este método reduce la fricción al 1% comparado con sistemas miscibles tradicionales.

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Damos las gracias a M. Hempenius y E. Benetti para un debate fructífero, Y. Yu para una revisión cuidadosa de la receta, M. Vlot para el diseño de la imagen de la figura 1, C. Padberg y K. Smit para soporte técnico. EK reconoce la Organización Holandesa para la Investigación Científica (NWO, TOP Subvención 700.56.322, macromolecular Nanotecnología con Estímulo Polímeros Responsive) de apoyo financiero. SdB ha sido apoyado por la Fundación para la Investigación Fundamental de la Materia (FOM), que es apoyado financieramente por la Organización Holandesa para la Investigación Científica (NWO).

NOTA: La Figura 2 ilustra el procedimiento de preparación de la muestra. Sustratos cepillos de polímero fueron injertados a partir de silicio (Si) (ruta (a)), a partir de sustratos recubiertos de oro (100 nm de oro evaporado sobre oblea de Si que tiene una capa de adhesión Cr 10 nm, ruta (b)), y de sondas de AFM coloidales de oro (6 m de diámetro, ruta (c)) por la superficie de transferencia de átomo inició la polimerización por radicales (SI-ATRP) 24. Las mediciones de AFM se realizaron en un multimodo AFM con la cabeza de bajo ruido, vertical acoplan escáner y una célula de líquido. 1. Preparación de muestras <ol><li> Preparación de la superficie <ol><li> Iniciador deposición sobre superficies de silicio. <ol><li> Limpie los sustratos de silicio con cloroformo, después solución de pirañas, y después con agua purificada, etanol y cloroformo. </li><li> Coloque los sustratos secos en un desecador en torno a un vial que contiene 50 l (3-aminopropil) trietoxisilano. </li><li> Evacuar el ingenio desecadorja bomba rotativa durante 15 minutos y cerrarla posteriormente. Deje que la deposición de vapor proceder O / N. </li><li> Preparar una solución de 40 ml de tolueno (desgasificado) y 40 l de trietilamina en un matraz Erlenmeyer. </li><li> Coloque los sustratos en el matraz y gota a gota añadir 40 l 2-bromo-2-metilpropionilo. Mantenga los sustratos en la solución, para evitar la deposición de cristales de sal formados en solución. </li><li> Agitar la solución durante 4 horas. </li><li> Enjuagar los sustratos con tolueno y etanol. A continuación, coloque los soportes en los viales de polimerización. </li></ol></li><li> Iniciador deposición sobre superficies de oro <ol><li> Preparar una solución monocapa: disolver el ácido 2-bromo-2-metil-propiónico 11- [11- (2-bromo-2-metil-propioniloxi) -undecyldisulfanyl] -undecyl éster en 20 ml de cloroformo desgasificado (0,2 mM). </li><li> Ca. Transferencia 1,5 ml solución monocapa en un pequeño frasco que se sonrojó previamente con argón. </li><li> Limpie los sustratos de oro recubierto con cloroformo ysolución de pirañas. Y después con agua purificada, etanol y cloroformo. </li><li> Sumerja los sustratos limpios en la solución de monocapa y cerrar el frasco. Tienda O / N en un lugar oscuro. </li><li> Limpie las sondas coloidales de oro con etanol y cloroformo sumergiéndolos en los disolventes. </li><li> Sumergir las sondas coloidales en el vial que contiene la solución monocapa. Cierre con firmeza y mantenerlo en un lugar oscuro O / N. </li><li> Retire los sustratos de la solución, se lava con cloroformo y etanol. A continuación, transferir los sustratos recubiertos de iniciador en el matraz de polimerización. </li><li> Retire las sondas coloidales de la solución monocapa, lavar con cloroformo y etanol. A continuación, transferir cada sonda por separado en el vial de polimerización. </li></ol></li></ol></li><li> Polimerización <ol><li> SI-ATRP de PMMA <ol><li> Purgar el frasco y viales, que contiene los sustratos iniciador cubierto (ambos de Si y oro) y las sondas coloidales con Argdurante 30 min. </li><li> Disolver 10 g de metacrilato de metilo (MMA) en el medio de ATRP (mezcla / agua 10 ml de metanol con una relación de 5: 1) y desgasificar la solución durante 2 horas. </li><li> Añadir 145 mg CuBr y 320 mg de 2,2-bipiridina en un matraz equipado con una barra de agitación magnética, y deoxygenize por 3 ciclos de relleno-Ar vacío. </li><li> Transferir la solución de monómero desgasificado en el matraz (que contiene el cobre) y se agita durante otros 15 min hasta que se observa una solución marrón clara. </li><li> Adjuntar una aguja a una jeringa de 2 ml y lavar la aguja y la jeringa con argón 2-3 veces. </li><li> Retirar solución de polimerización 1 ml con la jeringa e inyectar el contenido en el pequeño vial de reacción, que contiene la sonda coloide. </li><li> Retirar la solución restante con la jeringa e inyectar el contenido en el vial de reacción, que contiene los sustratos planos. Agregue suficiente solución para sumergir cada muestra por completo. </li><li> Llevar a cabo la polimerización durante 40 horas a temperatura ambiente. </li><li> Remover las muestras de la solución de polimerización y se lava con etanol y cloroformo en múltiples ciclos. La coloración de la muestra indica la presencia del cepillo. </li><li> Finalmente, se secan los sustratos bajo una corriente de nitrógeno. </li><li> Mantenga sustratos planos en una caja de nitrógeno. Tienda cepillo polímero sondas modificado en tolueno. </li></ol></li><li> SI-ATRP de PNIPAM 10 <ol><li> Purgar el matraz y viales, que contiene los sustratos iniciador de cubierta (tanto de Si y oro) y las sondas de coloides con argón durante 30 min. </li><li> Disolver 5,6 g -isopropylacrylamide N y 320 l PMDETA en el medio de ATRP (1,6 ml de agua y 18 ml de metanol) y desgasificar la solución durante 2 horas. </li><li> Añadir 76 mg CuBr en un matraz equipado con una barra de agitación magnética, y deoxygenize por 3 ciclos de relleno-Ar vacío. </li><li> Transferir la solución de monómero desgasificado en el matraz que contiene el cobre. Agitar durante otros 15 min hasta que se observó una solución de color verde claro. </li&gt; <li> Adjuntar una aguja a una jeringa de 2 ml y lavar la aguja y la jeringa con argón 2-3 veces. </li><li> Retirar solución de polimerización 1 ml con la jeringa e inyectar el contenido en el pequeño vial de reacción, que contiene la sonda coloide. Repita para todas las sondas. </li><li> Retirar la solución restante con la jeringa e inyectar el contenido en el matraz de reacción, que contiene los sustratos planos. Agregue suficiente solución para sumergir cada muestra por completo. </li><li> Llevar a cabo la polimerización durante 2 horas a RT. </li><li> Retire las muestras de la solución de polimerización y se lava con etanol y agua a través de múltiples ciclos. El color que aparece de la muestra indica la presencia del cepillo. </li><li> Sumergir la muestra en solución M EDTA 0,1 y mantenerlo en la solución de O / N para eliminar todo el cobre. Lavar con agua purificada y etanol. </li><li> Mantenga los sustratos planos en una caja de nitrógeno. Guarde el cepillo PNIPAM sondas modificadas en agua purificada. </li></ol></li></ol></li><li> Caracterización Brush, Fourier Transform Infrared (Figura 3) NOTA: El modo FTIR Uso pastoreo de ángulo para cepillos de polímero de sustrato de oro y el modo de transmisión FTIR para cepillos de polímero sobre sustrato de Si. Seque cuidadosamente todas las muestras. Cualquier contaminación del agua y disolventes pueden causar daños graves del detector. <ol><li> Poner en marcha el equipo de acuerdo con el manual proporcionado por el fabricante. </li><li> Ajuste los siguientes parámetros para la medición de la muestra: rango de entre 900 y 3700 cm-1 con una resolución de 4 cm -1 y promedio 32 exploraciones en cada medición. </li><li> Limpiar un sustrato en blanco de acuerdo con el protocolo utilizado para la preparación de la muestra, se secan cuidadosamente y colocarlo a la cámara de medición. </li><li> Aplicar vacío durante 4 hr. A continuación, grabar una exploración de fondo. </li><li> Retire la muestra en blanco y coloque la muestra seca cepillo recubierto de polímero en la cámara de muestra. </li><li> Aplicar vacío en el samplcámara E y registrar una muestra de barrido cada 30 min durante 5 h. </li><li> Identificar todos los picos en los espectros para confirmar composición química del cepillo de polímero. (Sólo analizar las exploraciones con una línea de base recta.) </li></ol></li></ol> 2. Medición AFM <ol><li> Rayar el sustrato cubierto cepillo de PMMA cuidadosamente con una aguja, enjuague con un buen disolvente para eliminar el exceso de polímero y secarlo. </li><li> Montar las muestras en el instrumento AFM y montar la sonda en la célula líquido. </li><li> Alinear el láser en el extremo del voladizo. </li><li> Con el uso de la cámara, alinee la punta por encima de un rasguño. </li><li> Antes de acercarse y participar de la punta, ajuste el tamaño de escaneo 0 nm. A continuación, enganchar la punta a la superficie. </li><li> Ir a &quot;modo de rampa&quot; y determinar la sensibilidad de desviación a través de las curvas de fuerza a distancia. Calibrar la constante normal de primavera usando la &#39;sintonía térmico &quot;como se aplica en el software y el resorte de torsión constante of voladizo utilizando el método de Wagner et al. 25 <ol><li> Captura el ruido térmico de torsión del voladizo en aire durante 2 seg usando la captura de datos de alta velocidad en el software (6,25 MHz). </li><li> Convertir el ruido térmico en la densidad espectral de potencia (V 2 / Hz), utilizando la transformada de Fourier. </li><li> Determinar la resonancia fundamental y el factor de calidad del voladizo en el aire utilizando el pico de resonancia de la densidad espectral de potencia y la ecuación para un oscilador armónico simple incluyendo el ruido de línea de base (eq. 2 de la Ref. 25). </li><li> Calcular la constante de resorte de torsión utilizando las dimensiones inplane del voladizo (longitud y anchura), la densidad y viscosidad del medio (aire) que rodea y el factor de calidad y la frecuencia de resonancia determinadas en el paso 2.6.3 usando el método de Sader 26. NOTA: Se utilizó la herramienta proporcionada en el sitio web de John Sader: www.ampc.ms.unimelb.edu.au/afm/calibration.html. </li><li> Californialculate la torsión sensibilidad deflexión angular del voladizo utilizando eq. 6 y 7 de Ref. 25. </li><li> Convertir la constante de resorte de torsión y la sensibilidad de deflexión en la constante de resorte y la deflexión lateral de sensibilidad utilizando el tamaño del coloide, el espesor de la voladizo y eq. 8 de Ref. 25. NOTA: la señal del detector ahora se puede convertir en una fuerza a través de: fuerza [N] = constante elástica lateral [N / m] * sensibilidad de desviación lateral [m / V] * señal del detector [V]. </li></ol></li><li> Mida la altura del cepillo del cepillo seco por imágenes del cepillo en un cero en el punto de ajuste más bajo posible desviación. Determine la altura del cepillo desde la línea de escáneres de la imagen capturada. </li><li> Solvato el cepillo en acetofenona aplicando suavemente a la superficie con una jeringa. NOTA: El color de los cambios de muestra como se evapora el disolvente. Esto permite siguiendo el proceso de secado. </li><li> Montar la muestra a la AFM. Alinear la señal láser vertical-1.0 V. Ajuste el punto de ajuste de desviación a 0 V y enganchar el voladizo y la superficie. NOTA: Después de lo que el voladizo en contacto con la superficie, la acetofenona se mueve en el cepillo en el coloide crear un puente capilar entre la punta y la superficie. </li><li> Ajuste el tamaño de escaneo de 40 micras, desactivar los ejes de barrido lento y ajuste el formato de imagen a 1: 4. Registre la altura y los canales de imagen fricción (tanto traza y de retroceso). </li><li> Cuando se capturan las imágenes retirar el voladizo. </li><li> Aplicar una gota de agua sobre la superficie de arbustos PNIPAM, para solvatar el cepillo PNIPAM. </li><li> Levante la cabeza y volver a colocar rápidamente la superficie de PMMA por la superficie PNIPAM solvatada para crear el sistema inmiscible. Ser rápido en el intercambio de las superficies, para evitar la evaporación de la acetofenona de la brocha PMMA en la sonda coloidal. </li><li> Involucrar a la punta y la superficie, y grabar imágenes con los mismos parámetros de la anterior. </li></ol>

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</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

Los resultados presentados muestran que la fricción, para los sistemas de cepillos inmiscibles solvatadas individualmente, se reduce fuertemente en comparación con los sistemas tradicionales miscibles de dos de los mismos cepillos solvatadas. La absorbancia preferido de los diferentes disolventes en los dos cepillos evita que los cepillos de interdigitación y en consecuencia, una fuente importante de desgaste y degradación en el cepillo de fricción de polímero se elimina. Por consiguiente, el método presentado es fundamentalmente diferente de deslizamiento hidrófila seca en cepillos hidrófobas, donde la fricción será determinado por las interacciones del cepillo específico 27. De hecho, al cizallamiento PMMA en PNIPAM (colapsado altura de 166 nm), sin disolventes, encontramos que la fricción era 50% mayor en comparación con PMMA secar en PMMA (colapsado altura de 236 m). Como ya se ha señalado en breve en las notas de la sección &#39;Protocolo&#39;, hay un par de puntos cruciales que deben tenerse en cuenta al realizarestos experimentos particulares: En primer lugar, acetofenona es un mejor disolvente para PNIPAM que el agua. Por lo tanto, se debe tener cuidado de que acetofenona no entra en el cepillo PNIPAM mojando el cepillo PNIPAM con abundante agua. Desde acetofenona y el agua no se mezclan, la acetofenona ahora no entrar en el cepillo PNIPAM. Es por eso que no nos sumergimos nuestro sistema completamente en acetofenona, pero en vez creado un capilar acetofenona para el sistema mezclable. Otra razón para la inmersión incompleta es que los resultados de una inmersión completa en la hidrodinámica demasiado fuertes, que sólo medimos la resistencia Stokes en el coloide y voladizo. En segundo lugar, en los experimentos de AFM se acoplan las constantes de resorte de torsión y normales. Voladizos con una constante elástica baja normal también tendrán una constante de resorte torsional relativamente baja y viceversa. Esto limita el menor coeficiente de fricción medible a&gt; 10 -3. Por lo tanto, con el fin de medir la reducción de la fricción completa, la fricción para el MIScible sistema tiene que ser alta. Esto se logra mediante el uso de largos cepillos de alta densidad y una velocidad relativamente alta cizalla de típicamente 100 m / seg. Por otra parte, el capilar entre los cepillos también aumenta las fuerzas de fricción. Se midió el coeficiente de fricción más bajo, para un sistema inmiscible 22, de μ = 0.003 bajo una tensión normal estimado de 200 kPa. Usando las mismas condiciones experimentales, se encontró que μ = 0,15 para el sistema miscible. Tenga en cuenta que los experimentos se realizaron en un ambiente controlado de laboratorio y que las superficies utilizadas en la industria no son tan ideal como utilizado en los experimentos presentados. La mayoría de las superficies tienen una distribución no uniforme de rugosidad 28 y por lo tanto muchas asperezas de diferentes formas y tamaños. Durante la colisión de dos asperezas cepillo-cojinete, la fricción se compone de diferentes canales de disipación 29. Al lado de estado estacionario mecanismos de disipación, como interdigitación y el flujo de disolvente, habrá efectos de histéresis en la forma 30 debido al tiempo de relajación lenta de los polímeros y disolvente. Además, los capilares se forman y se rompen. En los sistemas de cepillo miscible usado tradicionalmente, interdigitación transitoria 31 amplifica histéresis shape- y capilar. Con el sistema inmiscible que aquí se presenta, interdigitación transitoria se elimina también. Por otra parte, la histéresis capilar puede ser evitado mediante la aplicación de dos disolventes inmiscibles. Por lo tanto, también para las superficies ásperas más común, la fricción y el desgaste se reducirá el uso de sistemas de cepillo 22 inmiscible. La fuente principal de fricción que queda es la deformación cepillo. Anclaje polímeros polyzwitterionic, que son conocidos por su baja fricción intrínseca 32, sobre una de las superficies puede minimizar el último. En tales sistemas la presión osmótica del disolvente es alta resultante en poca deformación cepillo bajo altas cargas normales. Lapresentado método de los sistemas de cepillo inmiscibles se puede aplicar en casi cualquier sistema donde la baja fricción es deseable. Las funciones método bien bajo altas presiones. Sin embargo, se debe tener cuidado de que la temperatura se mantiene alrededor de RT. Las altas temperaturas dañan los polímeros, lo que provocará el flujo de líquido fuera del contacto y en consecuencia, de alta fricción. Ejemplos de aplicación potencial son: jeringas, sistemas de pistones, cojinetes de ejes y bisagras.

Lubricantes Perfect reducen la fricción y el desgaste de los sólidos en movimiento relativo, incluso cuando las cargas normales son altos. Para lograr esto, el lubricante debe permanecer en contacto durante el deslizamiento y en reposo. Sin embargo, bajo una carga normal positiva, líquidos simples, de baja viscosidad se aprietan rápidamente fuera de la zona de contacto y aceites aún mayor viscosidad son expulsados ​​finalmente. Sin embargo, los contactos biológicos, por ejemplo, en las articulaciones humanas, siguen lubricados con fluidos de baja viscosidad en todo momento. Naturaleza da cuenta de tales lubricación eficaz usando cadenas de azúcar unidas a superficies sólidas 1. Las cadenas de azúcar hidrófilos mantener un líquido acuoso en el contacto siempre que la presión normal no exceda de la presión osmótica del disolvente 2. Por lo tanto, una gran cantidad de esfuerzo se ha dirigido hacia imitando lubricantes biológicos mediante el injerto de polímeros a superficies sólidas que forman los llamados cepillos de polímero 3-12. Cuando dos de polímero opuestocepillos se ponen en contacto, los segmentos de las cadenas de polímero en un lado se pueden mover en los segmentos de la cadena de cepillo en el lado opuesto. Este efecto se denomina interdigitación 13. Cuando los cepillos están en movimiento de deslizamiento relativo, interdigitación es la principal fuente de desgaste 14 y la fricción 15-17. De hecho, hace poco, las relaciones de fricción deslizante de velocidad para cepillos de polímero se han derivado 18. Estas leyes de escala se basan en interdigitación y el consiguiente estiramiento y flexión de los polímeros sobre la corredera. Las características principales de acuerdo con los resultados de los experimentos superficiales aparatos fuerzas 19 y de dinámica molecular (MD) simulaciones 20. En este último el grado de solapamiento se puede cuantificar directamente. Además, se demostró que el solapamiento entre las escobillas de polielectrolitos se puede ajustar mediante la aplicación de un campo eléctrico 21. Por lo tanto, si interdigitación se puede evitar, la fricción y el desgaste en estos sistemas serían significativos llevadosTLY reducida. En una publicación reciente 22 hemos demostrado a través de simulaciones MD de que dos sistemas de cepillo de polímero solvatadas inmiscibles evitar el solapamiento entre los cepillos. Por otra parte, al deslizamiento de los cepillos, se encontró una disminución de la fuerza de fricción en dos órdenes de magnitud en comparación con los sistemas tradicionales de pincel miscibles, en excelente acuerdo con nuestra microscopía de fuerza atómica (AFM) mediciones. Aquí, se explica en detalle cómo configurar los experimentos de AFM de Ref. 22. El principio básico se esboza en la Figura 1. En las dos superficies de venta libre, dos cepillos diferentes, cada uno solvatada por su propio disolvente preferido, se necesitan. En esta configuración cada cepillo permanece en su propio disolvente. En consecuencia, los segmentos de polímero de un cepillo no penetran en el otro cepillo. El poli (metacrilato de metilo) (PMMA) se injerta de una sonda AFM coloidal y el cepillo está solvatado por acetofenona. Desde la superficie plana de poli (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) se injerta y solvatados en agua. Para comparar el sistema actual a los sistemas miscibles tradicionales, se realiza una segunda contra-superficie plana que lleva un cepillo de PMMA solvatada en acetofenona. La fuerza de fricción de deslizamiento medido sobre el sistema inmiscible de PMMA en PNIPAM es de aproximadamente 1% de la fricción para el sistema de PMMA miscible en PMMA. Tenga en cuenta que el uso de estos sistemas de cepillo particulares es sólo un ejemplo. El método presentado es genérico y funciona debido a la absorbancia preferido de los disolventes en los diferentes cepillos. Por lo tanto, se espera que más tipos de cepillos de ser aplicable, siempre que los disolventes elegidos DE-mezcla en los dos cepillos. El efecto se amplifica mediante el uso de dos disolventes no mezcla (como acetofenona y agua) de tal manera que se crea un fluido-on-líquido-deslizamiento resbaladizo adicional interfaz de 22,23.

<table><tbody><tr><td>Metacrilato de metilo</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M55909&nbsp;</td><td>Monómero para la síntesis de PMMA, limpiado mediante prensado a través de una columna básica de alúmina</td></tr><tr><td>(3-aminopropil)trietoxisilano</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>440140</td><td>silano monocapa depositado</td></tr><tr><td>por vapor trietilamina</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>T0886</td><td>Reactivo para el acoplamiento de la fracción iniciadora de ATRP.</td></tr><tr><td>2-bromo-2-metilpropionil</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>252271</td><td>fracción iniciadora de ATRP.</td></tr><tr><td>tolueno</td><td>Biosolve</td><td>20150501</td><td>Medio de acoplamiento para catalizador ATRP</td></tr><tr><td>de CuBr</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>212865</td><td>ATRP.</td></tr><tr><td>2,2&prime;-Bipyridyl</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>14453</td><td>Cu ligando complejante para ATRP de MMA</td></tr><tr><td>N,N,N&prime;,N",N"-Pentametildietilentriamina</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>369497</td><td>ligando complejante de Cu para ATRP de ácido acético NIPAM</td></tr><tr><td>98-100%</td><td>Merck</td><td>8187551000</td><td>Para la limpieza de CuBr.</td></tr><tr><td>Ácido sulfúrico</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>320501</td><td>Para la preparación de solución de piraña</td></tr><tr><td>Peróxido de hidrógeno 33%</td><td>Merck</td><td>1.07210.1000</td><td>Para la preparación de solución de piraña</td></tr><tr><td>Etanol</td><td>Merck</td><td>1.00983.1000</td><td>Para la limpieza de sustratos.</td></tr><tr><td>Óxido de aluminio básico 60&nbsp;</td><td>Merck</td><td></td><td>Para la limpieza de monómeros.</td></tr><tr><td>Chloroform</td><td>Biosolve</td><td>3080501</td><td>Para la deposición de monocapas y la limpieza de sustratos.</td></tr><tr><td>Metanol</td><td>Biosolve</td><td>13680501</td><td>Para medio de polimerización.</td></tr><tr><td>Acetofenona</td><td>Acros Organics</td><td>102410010</td><td>para el entorno de medición AFM.</td></tr><tr><td>N-acrilamida de isopropilo</td><td>Monómero de 412780250 Acros Organics para la</td><td></td><td>síntesis de PNIPAM, recristalizado a partir de tolueno/hexano</td></tr><tr><td>Metacrilato de poli(etilenglicol)&nbsp;</td><td>Monómero de 409529 Sigma-Aldrich</td><td></td><td>para la síntesis de Si-POEGMA, limpiado mediante presión a través de una columna básica de alúmina.</td></tr><tr>Sistema de purificación <td>de agua MilliQ</td><td>Advantage A 10&nbsp;</td><td></td><td>Medio ATRP, entorno de medición AFM y para la limpieza de sustratos.</td></tr><tr><td>Sustratos de silicona&nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sustratos recubiertos de</td><td></td><td></td><td></td>oro</tr><tr><td>Sonda AFM, CP-FM-Au</td><td>SQube</td><td></td><td>Medición</td></tr><tr> de AFM<td colspan="4">[header]</td></tr><tr><td>dithiodiundecane-11,1-diybis[2-bromo-2-methlpropanoate] (DTPR)</td><td></td><td></td><td>Iniciador, para Si-ATRP en superficies de oro. Sintetizado según Macromoléculas, <fuerte>33</fuerte>, 597-605 (2000).</td></tr><tr><td>Microscopio atómico Frorce</td><td>Bruker Controlador</td><td></td><td></td> Multimodo V</tr></tbody></table>

preparación y fricción fuerza microscopía mediciones de inmiscibles, opuestos polímero cepillos

Preparation and Friction Force Microscopy Measurements of Immiscible, Opposing Polymer Brushes

Cepillos de polímero solvatadas son bien conocidos para lubricar los contactos de alta presión, debido a que pueden sostener una carga normal positivo, mientras que el mantenimiento de baja fricción en la interfaz. Sin embargo, estos sistemas pueden ser sensible al desgaste debido a la interdigitación de los cepillos opuestos. En una publicación reciente, hemos demostrado a través de simulaciones de dinámica molecular y experimentos de microscopía de fuerza atómica, que el uso de un sistema de cepillo de polímero inmiscible concluido el sustrato y las superficies deslizantes, respectivamente, se puede eliminar tal interdigitación. Como consecuencia, el desgaste en los contactos se reduce. Por otra parte, la fuerza de fricción es dos órdenes de magnitud inferior en comparación con los sistemas tradicionales de cepillos de polímero miscible. Por tanto, este nuevo sistema propuesto tiene un gran potencial para su aplicación en la industria. Aquí, la metodología para la construcción de un sistema de cepillo de polímero inmiscible de dos cepillos diferentes, cada uno por su propia solvatadas disolvente preferido es presentado. El procedimiento de cómo injertar poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) a partir de una superficie plana y poli (metacrilato de metilo) (PMMA) de un microscopio de fuerza atómica (AFM) de la sonda coloidal se describe. PNIPAM se solvatados en agua y PMMA en acetofenona. A través de mediciones de AFM fuerza de fricción, se muestra que la fricción para este sistema es, en efecto redujo en dos órdenes de magnitud en comparación con el sistema de PMMA miscible en PMMA solvatada en acetofenona.

La figura 4 muestra trazas representativas de fuerza AFM al deslizarse tanto el los sistemas de cepillo de polímero inmiscibles y miscibles. La fuerza de rozamiento F se normalizó por la fuerza de fricción en estado estacionario deslizante F sym para la simétrica, sistema mezclable. La altura del cepillo hinchado en estos experimentos fue 1010 nm para PMMA y 532 nm para PNIPAM. Las huellas de fuerza son capturados después de seguir el procedimiento descrito en la sección Protocolo. En estos experimentos la superficie se mueve adelante y atrás con una velocidad v de 80 m / seg mientras se aplica una carga normal de 30 nN. La diferencia en la fuerza de fricción para la miscible (panel izquierdo) y los sistemas de cepillo inmiscibles (panel derecho) se puede observar claramente. La fuerza de fricción en estado estacionario en el panel de la izquierda es 90x mayor que la fuerza de fricción en estado estacionario en el panel derecho. Para el sistema inmiscible en la fuerza de fricción medido es típicamente 0,5-2% de la fuerza de fricción f medidoo el sistema miscible. Aunque la reducción exacta de fricción depende de la densidad del injerto, grado de polimerización, cantidad de disolvente, y (débilmente) en la carga normal y la velocidad de deslizamiento, es siempre alrededor de dos órdenes de magnitud. Si aumentamos la velocidad de deslizamiento para el sistema descrito anteriormente por un factor 5 (a 400 m / seg), la reducción de la fricción disminuye en un 2%. Si aumentamos la carga normal por un factor de 10 (a 300 nN), la reducción de la fricción se reduce en 3%. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/52285/52285fig1highres.jpg" /> Figura 1. boceto esquemático de la configuración. El panel izquierdo muestra el sistema miscible, donde los mismos polímeros se injertan de la superficie y el coloide. Los cepillos están solvatados en un líquido de una fase. El panel derecho muestra el sistema inmiscibles de dos cepillos de polímeros diferentes. Cada cepillo se solvata en su propio líquido preferido. En la tradicionalsistemas miscibles los polímeros de los cepillos opuestos se solapen. Para el sistema inmiscibles, cepillos opuestos no se entrelazan de tal manera que la fricción y el desgaste durante el deslizamiento se reduce. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/52285/52285fig2highres.jpg" width="700px" /> Figura 2. Modelo esquemático del procedimiento de preparación de la muestra como se describe en la sección de protocolos. De izquierda a derecha se muestra el procedimiento de preparación de cepillo a través de la deposición de iniciador de polimerización radical y la superficie iniciado transferencia de átomo (ATRP SI). Camino (A) describe los cepillos injertadas de superficies de silicio, (B) cepillos injertadas de oro recubiertas superficies de silicio y (C) cepillos injertadas de coloides de oro en las sondas de microscopía de fuerza atómica. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52285/52285fig2highres.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver al</a>Arger versión de esta figura. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/52285/52285fig3highres.jpg" /> Figura 3. FTIR espectros del PMMA (azul) y PNIPAM (verde) cepillos de silicio (líneas gruesas) y el oro (líneas delgadas). Los datos se obtuvieron a partir Suppl. Mat. de Ref. 22. números de onda de PMMA (cm - 1): 3,050-2,990 (CH vibración de tensión), 1730 C = O (enlace doble vibración de tensión), 1450 (CH 3 y CH 2 deformación vibraciones), 1,260-1,040 (vibración enlace sencillo COC estiramiento ), 880-960 (COC enlace simple deformación de vibración). En 1730 cm - 1 el pico de vibración de tensión característica de la grupo C = O es evidente números de onda de PNIPAM (cm -1): 3289 (NH simétricas y vibración de tensión asimétrica), 3078, 2971, 2933, 2874 (CH asimétrica y simétrica de estiramiento. vibración en -CH &lt;sub&gt; 2 -), 1635 (C = O vibración de tensión), 1535 (amida II), 1458 (CH asimétricos deformaciones de flexión), 1386 (CH simétricas deformaciones de flexión), 1,366-1,170 (CN vibraciones asimétricas de estiramiento). En 1635 y 1535 cm - 1 los picos característicos de estiramiento de vibración del grupo amida son evidentes. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/52285/52285fig4highres.jpg" width="700px" /> Figura 4. Averaged, se filtra y se alisó los rastros de fuerza sobre arrastrando el miscible (izquierda) y (derecha) sistemas inmiscibles (ajustado de la Ref. 22). La superficie se mueve hacia atrás y hacia adelante por 40 micras, con una velocidad de barrido de 1 Hz y carga normal de 30 nN.

Se presenta la metodología para realizar experimentos de microscopía de fuerza de fricción para contactar cepillos: Se deslizan dos cepillos de polímero que se injertan a partir de (a) sustratos y (b) sondas coloidales para mostrar que, mediante el uso de dos sistemas de cepillos inmiscibles en contacto, la fricción en los contactos deslizantes se reduce en comparación con los sistemas de cepillos miscibles.

Preparación y Fricción Fuerza Microscopía mediciones de inmiscibles, opuestos polímero Cepillos

Solvated polymer brushes are well known to lubricate high-pressure contacts, because they can sustain a positive normal load while maintaining low ...

El objetivo del siguiente experimento es preparar sistemas de cepillos de polímero admisibles y compararlos con los sistemas tradicionales de cepillos de polímero descartables midiendo la respuesta de fricción al movimiento de deslizamiento relativo para ambos sistemas utilizando microscopía de fuerza de fricción. Esto se logra comenzando con dos juegos de superficies de silicona e injertando penai Pam en un juego y PMMA en el otro. Estas serán las superficies planas de los cepillos de polímero que se utilizan para formar una parte de los sistemas de cepillos de polímero.Como segundo paso, comience con un coloide de oro. Conéctelo a un voladizo de microscopía de fuerza atómica de silicio y grafique PMMA en él para hacer una sonda de medición de fuerza. Esto también formará la segunda parte del sistema de cepillos de polímero.A continuación, monte la sonda de medición de fuerza en un microscopio de fuerza atómica. Monte una superficie de cepillo de PMMA como muestra para medir la fricción admisible. Los sistemas de cepillos montan una superficie de cepillo de sartén para medir la fricción para sistemas de cepillos admisibles.Los resultados muestran que la fricción para los sistemas admisibles es aproximadamente el 1% de la fricción para los sistemas tradicionales admisibles medido por microscopía de fuerza de fricción. Una ventaja clave de nuestra técnica sobre los métodos existentes basados en aceites industriales es que un líquido de baja viscosidad se mantiene en contacto incluso cuando las condiciones son duras a escala microscópica, como sucede cuando las irregularidades de la superficie chocan entre sí. A diferencia de los sistemas de cepillos tradicionales, nuestros cepillos no se interpenetran debido a una interfaz fluida y fluida, como la que se tiene entre el vinagre y el aceite en un aderezo para ensaladas.Debido a que los cepillos ya no se interpenetran, se reduce la fricción. Y lo que es más importante, se evitan los daños a los polímeros y, en última instancia, los daños que pueden estar ausentes. La demostración visual de este método es fundamental, ya que la preparación de la muestra y los pasos de caracterización de la microscopía de fuerza atómica son difíciles de aprender.Se requieren habilidades especiales para la funcionalización homogénea y reproducible de remolachas coloidales de tamaño micrométrico, lo que demuestra que el procedimiento se agregará Kansky, un ex postdoc y c de bear, un investigador asociado en mi laboratorio, Consulte el manuscrito para la preparación de superficies de silicio. El experimento requiere la deposición del iniciador en tanto en el oro como en las sondas coloidales y en los sustratos de oro. Para comenzar a trabajar con las sondas, obtenga un pequeño vial que haya sido lavado con un matraz Argonne Roma que contenga una concentración de 0,2 milimolares.Solución monocapa Retire 1,5 mililitros, transfiera los 1,5 mililitros de solución monocapa al vial. Mantenga el frasco cerca. A continuación, obtenga las sondas de microscopía de fuerza atómica coloidal de oro, tenga listo un vial de etanol y un vial de cloroformo en el que se pueden sumergir las sondas.Además del frasco de solución monocapa, use pinzas para recoger una sonda. Asegúrese de sujetarlo para no causar daños. Primero, sumerja la sonda en el etanol durante unos segundos, luego sumérjala en el cloroformo durante unos segundos.Finalmente, colóquelo en el vial con la solución monocapa. Coloque el frasco firmemente y envuélvalo en papel de aluminio antes de dejarlo a un lado en el banco durante la noche. Ahora limpie y enjuague los sustratos recubiertos de oro.Todos los sustratos utilizados en este experimento miden un centímetro por un centímetro. Acerque el matraz grande que contiene la solución monocapa y transfiera los sustratos a él para que se sumerjan. Cierre el matraz y guárdelo en un lugar oscuro durante la noche Al día siguiente, primero, obtenga los sustratos y devuélvalos al banco.Prepárese para lavarlos usando un recipiente de cloroformo y etanol en una botella exprimible. Tenga listo el matraz de polimerización. Retire cada sustrato de la solución monocapa y sumérjalo primero en el cloroformo.A continuación, lávelo con etanol. Cuando esté listo, coloque el sustrato en el matraz de polimerización. Cuando todos los sustratos se hayan colocado en el matraz de polimerización, séllelo con un tabique de goma.Después de dejar a un lado el matraz de sustrato, continúe recuperando el vial con las sondas coloidales y abriéndolo. Siga el mismo procedimiento de lavado sumergiendo primero una sonda en cloroformo y luego en etanol. A medida que se lava cada uno, transfiéralo a un vial de polimerización individual.Este video solo mostrará los pasos para la polimerización de poly n Isop Proppy acrilamida penai Pam. Detalles para polimetacrilato de metilo. El PPMA se puede encontrar en el manuscrito con los sustratos y las sondas en sus recipientes de polimerización.Inicie el proceso de polimerización purgando ambos recipientes, demostrándolo con el recipiente de sustrato. Aquí está el tabique con una aguja conectada a un suministro de argón. A continuación, aquí está el tabique con una aguja adicional para la salida.A continuación, inicie el flujo de argón. Deje que la purga continúe durante 30 minutos mientras se purgan los vasos. Trabajo con polimerización de radicales de transferencia de átomos, A TRP.Nyam medio. Cree la solución mono disolviendo el nyam y el PM dta en el medio. Asegúrese de desgasificar la solución durante dos horas antes de usarla en un matraz separado de 76 miligramos de bromuro de cobre y una barra de agitación magnética, conecte el matraz a una línea de vacío y a una fuente de argón.A medida que el matraz se asienta sobre una placa de agitación, comience a evacuarlo abriendo la línea de vacío. Cuando se complete la evacuación, aproximadamente 30 minutos, cierre la válvula de la bomba y abra la válvula al suministro de Argonne. Repita el ciclo de evacuación y relleno tres veces antes de continuar.Una vez que la solución mono ha sido desgasificada, transfiérala al matraz con el bromuro de cobre y comience a remover la mezcla. Después de unos 15 minutos, se observa una solución de polimerización de color verde claro. Utilice una jeringa de dos mililitros y una aguja enjuagadas con argón para extraer un mililitro de la solución de polimerización.Transfiera la solución recolectada a un vial con una sonda coloidal mediante inyección a través del tabique. Continúe usando la jeringa para extraer parte de la solución de polimerización restante. Inyecte la solución recogida en el matraz que contiene los sustratos.Agregue lo suficiente para sumergir cada muestra por completo. Deje que la polimerización continúe durante dos horas a temperatura ambiente. Cuando hayan pasado dos horas, abra los viales de polimerización.A continuación, comience con una sonda y retírela para lavarla. Lave una muestra sumergiéndola primero en etanol y luego sumérjala en agua. Repita esto varias veces después de lavar una sonda, sumérjala en EDTA 0,1 molar durante unos segundos.Coloque la sonda sola en un vial que contenga agua purificada para su almacenamiento. Proceda con el lavado de cada sustrato. Haga esto de la misma manera que las sondas pasan por varios ciclos de vertido de agua.Luego etanol sobre él. Tenga en cuenta que el cambio de color del sustrato indica la presencia del pincel. Después de lavar un sustrato, transfiéralo a una placa de pozo.Coloque cada sustrato en un pocillo individual y cúbralo con una solución de EDTA 0,1 molar. Deje los sustratos lavados durante al menos 12 horas para eliminar todo el cobre. Al día siguiente.Lave cada sustrato con agua y etanol. Nuevamente, coloque los sustratos en una placa de pocillo, guarde la placa de pocillo en una caja de nitrógeno para este video. El siguiente paso es realizar una medición de microscopía de fuerza atómica.Aquí, el sustrato de silicio cubierto de A-P-M-M-A se ha montado en el microscopio y la sonda se ha montado en una celda líquida. Complete la preparación del cabezal de escaneo A FM y continúe completando los pasos preliminares de microscopía de fuerza atómica, incluida la alineación del láser, la calibración de la constante de resorte y la búsqueda del factor de calidad al completar los pasos preliminares. Tenga a mano una jeringa llena de acetofonía que se aplicará a la muestra de pincel.Retire el cabezal FM para acceder a la muestra. A continuación, desmonte la muestra del microscopio. Aplique suavemente el aceto phon para sulfatar el pincel.Tenga en cuenta que el color de la muestra cambia a medida que el solvente se evapora, lo que permite seguir el proceso de secado. Vuelva a montar la muestra en el microscopio de fuerza atómica y reemplace el cabezal A FM. A continuación, vuelva a los controles para establecer el punto de ajuste de deflexión y coloque el voladizo en contacto con la superficie.Esto hace que el acetofonía se mueva hacia el cepillo para crear un puente capilar. Estas trazas se obtuvieron utilizando los canales de imagen de altura y fricción. Los tamaños de escaneo de 40 micras y los ejes de escaneo lento están deshabilitados.Registre la altura y los canales de fricción de la imagen cuando se capturan las imágenes y se retira el voladizo. Comience a prepararse para cambiar el sustrato de PMMA por un penai PAM. Muestra cubierta con cepillo.Primero, recupere el sustrato pinot PAM. A continuación, aplica una gota de agua sobre él para que se coma el pincel. A continuación, haga el cambio.Levante el cabezal del A FM y sustituya rápidamente la superficie de PMMA por la superficie penai PAM. Muévase rápidamente para evitar la evaporación de la acetofenona del cepillo de PMMA en la sonda coloidal. Después de montar la muestra, vuelva a colocar el cabezal A FM en su posición.Regrese a los controles A FM para volver a conectar la punta y la superficie y grabar imágenes como antes. Aquí hay trazos de fuerza filtrados y suavizados para las superficies deslizantes. Estas trazas son para los sistemas de PMMA MISSABLE y muestran tanto el movimiento hacia adelante como hacia atrás.Estas trazas son para los inmiscibles sistemas P nine PAM y también muestran movimientos hacia adelante y hacia atrás en los gráficos. La fuerza se normaliza por la fuerza de deslizamiento en estado estacionario para el sistema simétrico que se puede perder. La carga normal es de 30 nano newtons y la velocidad de desplazamiento es de 80 micras por segundo.Tenga en cuenta que la fuerza de estado estacionario para el sistema permitido es 90 veces mayor que la del sistema admisible. Muchas máquinas y dispositivos tienen partes móviles, lo que produce fricción y se desgasta con el tiempo, lo que limita la vida útil. Vemos aplicaciones para muchos de ellos, desde ejes y pistones hasta jeringas médicas que proporcionan dosis ultra bajas y tal vez incluso articulaciones artificiales.Por supuesto, los ingenieros químicos o científicos tendrán que diseñar soluciones óptimas para cada aplicación específica. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo preparar sistemas de cepillos de polímero. Funcionalice las sondas de microscopía de fuerza y realice experimentos de microscopía de fuerza de fricción mientras intenta los experimentos de microscopía de fuerza de fricción.Es importante recordar que no hay que aplicar demasiado líquido porque se quiere que el capilar se forme entre los dos cepillos y no entre el cepillo y el voladizo, porque eso distorsionaría la señal láser. No olvide que trabajar con productos químicos puede ser extremadamente peligroso y siempre se deben tomar precauciones como trabajar en una campana extractora ventilada con válvula, usar guantes y gafas protectoras mientras se realiza este procedimiento.

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Research

Investigación

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Morfologías auto-montaje Obtenido a partir helicoidales policarbodiimida copolímeros y sus derivados de triazol

Aquí detallamos las técnicas experimentales usadas para evaluar las fuerzas de la saliente que podosomes aplicar sobre una película compatible con, desde la preparación de la película para el análisis automatizado de imágenes topográficas.

Microscopia de la fuerza de protrusión: Un método para cuantificar las fuerzas desarrolladas por salientes de celular

Al ser ampliamente utilizada, la espectroscopia vibratoria de la generación de frecuencia de suma (SFG) puede ayudar a revelar el orden de la conformación de la cadena y el cambio estructural secundario que ocurre en las interfaces de polímero y biomacromolécula.

Estructuras interfaciales a nivel molecular de polímeros y biomacromoléculas reveladas a través de la espectroscopia vibratoria de generación de frecuencia de suma

El microbalance de cristal de cuarzo puede proporcionar propiedades precisas de masa y viscoelástica para películas en el rango de micras o submicrones, lo que es relevante para investigaciones en detección biomédica y ambiental, recubrimientos y ciencia de polímeros. El espesor de la muestra influye en qué información se puede obtener del material en contacto con el sensor.

Preparación de muestras en Mediciones de microbalance de cristal de cuarzo de adsorción de proteínas y mecánica de polímeros

Aquí, presentamos un protocolo para reconstituir haces de microtúbulos in vitro y cuantificar directamente las fuerzas ejercidas dentro de ellos utilizando trampeo óptico simultáneo y microscopía de fluorescencia de reflexión interna total. Este ensayo permite la medición a nivel nanométrico de las fuerzas y desplazamientos generados por los conjuntos de proteínas dentro de las redes de microtúbulos activos.

Medición directa de las fuerzas dentro de haces de microtúbulos activos reconstituidos

Este protocolo emplea pinzas ópticas de doble trampa para medir las fuerzas entre gotas en tiempo real durante la digestión enzimática de emulsiones. Facilita el estudio de la estabilidad de la emulsión y la dinámica de las gotas, con aplicaciones en la ciencia de los alimentos y la farmacéutica.

Medición de la fuerza en tiempo real entre las gotas de emulsión durante la descomposición enzimática

Aprende a preparar sistemas de cepillos poliméricos inmiscibles y medir fricción mediante microscopía de fuerza de fricción. Este método reduce la fricción al 1% comparado con sistemas miscibles tradicionales.

Preparación y Fricción Fuerza Microscopía mediciones de inmiscibles, opuestos polímero Cepillos

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