Article de méthode

Mesures de préparation et de friction Microscopie à force de polymères non miscibles, Opposing Brosses

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DOI :

10.3791/52285

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24 décembre 2014

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1Jülich Supercomputing Centre, Forschungszentrum Jülich, 2Materials Science and Technology of Polymer, MESA+ Institute for Nanotechnology, University of Twente, 3Department of Materials Science and Engineering, Universität des Saarlandes

Dans cet article

Résumé

La méthodologie pour réaliser des expériences de microscopie à force de friction pour les brosses de contact est présentée : Deux brosses en polymère greffées à partir (a) de substrats et (b) de sondes colloïdales sont glissées pour montrer que, en utilisant deux systèmes de brosses non miscibles en contact, la friction dans les contacts glissants est réduite par rapport aux systèmes de brosses miscibles.

Résumé

Brosses de polymères solvatées sont bien connus pour lubrifier contacts à haute pression, car ils peuvent supporter une charge normale positif tout en maintenant un faible frottement à l'interface. Néanmoins, ces systèmes peuvent être sensibles à l'usure due à interdigitation des brosses opposées. Dans une publication récente, nous avons montré par simulations de dynamique moléculaire et atomique expériences microscopie à force, que l'utilisation d'un système de brosse de polymère non miscible terminant le substrat et les surfaces de curseur, respectivement, peut éliminer cette interdigitation. En conséquence, l'usure des contacts est réduite. En outre, la force de frottement est de deux ordres de grandeur inférieur à celui des systèmes traditionnels de brosse de polymère miscible. Ce nouveau système proposé possède donc un grand potentiel pour une application dans l'industrie. Ici, la méthode de construction d'un système de brosse de polymère non miscible de deux brosses différentes, chacune solvatées par leur propre solvant préféré est présentée. La procédure comment greffer poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) à partir d'une surface plane et le poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA) d'une microscopie à force atomique (AFM) sonde colloïdale est décrite. PNIPAM est solvaté dans l'eau et dans le PMMA acétophénone. Via mesures AFM de force de frottement, il est démontré que le frottement de ce système est en effet réduit de deux ordres de grandeur par rapport au système miscible de PMMA sur PMMA solvaté dans acétophénone.

Introduction

Lubrifiants parfaits réduisent le frottement et l'usure pour les solides en mouvement relatif, même lorsque les charges normales sont élevés. Pour ce faire, le lubrifiant doit rester en contact pendant le glissement et au repos. Cependant, sous une charge normale positif, liquides simples, à faible viscosité sont rapidement évincés de la zone de contact et des huiles encore plus élevé viscosité sont expulsés par la suite. Pourtant, les contacts biologiques, par exemple, dans les articulations humaines, restent lubrifiés avec des fluides à faible viscosité à tout moment. Nature réalise telle lubrification efficace en utilisant des chaînes de sucres attachés à des surfaces solides 1. Les chaînes de sucre hydrophiles maintenir un liquide aqueux en contact avec la condition que la pression normale ne dépasse pas la pression osmotique du solvant 2. Par conséquent, beaucoup d'efforts ont été dirigés vers imitant lubrifiants biologiques par greffage de polymères sur des surfaces solides formant brosses dits polymères 12/03.

Lorsque deux polymères adversebrosses sont mis en contact, les segments des chaînes de polymère sur un côté peuvent se déplacer dans les segments de la chaîne de la brosse sur le côté opposé. Cet effet est appelé interdigitation 13. Lorsque les brosses sont en mouvement de glissement relatif, interdigitation est la principale source d'usure et de frottement 14 15-17. En fait, récemment, les relations friction vitesse pour glisser brosses polymères ont été tirés 18. Ces lois d'échelle sont basées sur interdigitation et le conséquent étirement et de flexion des polymères lors du coulissement. Les principales caractéristiques d'accord avec les résultats de surface expériences forces de l'appareil 19 et de la dynamique moléculaire (MD) 20 simulations. Dans ce dernier le degré de chevauchement peut être directement quantifié. En outre, il a été montré que le chevauchement entre les balais de polyélectrolyte peut être réglé par l'application d'un champ électrique 21. Ainsi, si interdigitation peut être contourné, la friction et l'usure dans ces systèmes serait significantly réduite.

Dans une publication récente 22 nous avons montré par des simulations MD que deux systèmes de brosses de polymère solvatées non miscibles éviter le chevauchement entre les brosses. En outre, lors du coulissement les brosses, nous avons constaté une diminution de la force de frottement de deux ordres de grandeur par rapport aux systèmes traditionnels de pinceau miscibles, en excellent accord avec notre microscopie à force atomique (AFM) mesures. Ici, nous expliquons en détail comment mettre en place les expériences de l'AFM de Réf. 22. Le principe de base est esquissée sur la figure 1. Sur les deux contre-surfaces, les deux brosses différentes, chacune solvaté par leur propre solvant préféré, sont nécessaires. Dans cette configuration chaque brosse reste dans son propre solvant. Par conséquent, les segments de polymère à partir une brosse ne pénètrent pas dans l'autre brosse. Poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA) est greffée à partir d'une sonde AFM colloïdale et la brosse est solvate par l'acétophénone. Du poly surface plane (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) est greffé et solvaté dans l'eau. Pour comparer le système actuel aux systèmes traditionnels miscibles, une seconde contre-surface plane portant une brosse PMMA solvaté dans acétophénone est faite. La force de frottement mesurée lors du coulissement du système de PMMA non miscible à PNIPAM est d'environ 1% de la friction pour le système de PMMA sur miscible PMMA. Notez que l'utilisation de ces systèmes de brosse particulière ne est qu'un exemple. La méthode présentée est générique et fonctionne en raison de l'absorption préférée de solvants dans les différentes brosses. Par conséquent, plusieurs types de brosses sont censés être applicable, pour autant que les solvants choisis dé-mélange dans les deux brosses. L'effet est amplifié en utilisant deux solvants non-mélange (comme l'acétophénone et de l'eau) de telle sorte qu'un fluide glissant-on-fluide et coulissant l'interface supplémentaire est créée 22,23.

Protocole

REMARQUE: La figure 2 illustre la procédure de préparation des échantillons. brosses de polymères ont été greffés à partir de silicium (Si) des substrats (voie (a)), à partir de substrats d'or revêtu (or nm 100 évaporé sur tranche de silicium ayant une couche de Cr d'adhérence de 10 nm, trajet (b)), et de sondes or AFM colloïdales (6 um de diamètre, voie (c)) par surface initié par transfert d'atome radicalaire (ATRP-SI) 24. Les mesures AFM ont été réalisées sur une multimode AFM avec la tête à faible bruit, vertical engager scanner et une cellule liquide.

Préparation de l'échantillon 1.

  1. Préparation du support
    1. Initiateur de dépôt sur les surfaces de silicium.
      1. Nettoyez les substrats de silicium avec du chloroforme, puis une solution de piranha, puis rincer avec de l'eau purifiée, l'éthanol et le chloroforme.
      2. Placez les substrats secs dans un dessiccateur autour d'un flacon contenant 50 ul (3-aminopropyl) triéthoxysilane.
      3. Évacuer l'esprit de dessicateurha pompe à palettes pendant 15 min et fermer par la suite. Laisser le dépôt en phase vapeur de procéder O / N.
      4. Préparer une solution de 40 ml de toluène (dégazé) et 40 ul de triéthylamine dans un erlenmeyer.
      5. Placez les substrats dans le ballon et ajouter goutte à goutte 40 pi 2-bromo-2-méthylpropionyl. Garder les substrats dans la solution, pour éviter le dépôt de cristaux de sel formés en solution.
      6. Agiter la solution pendant 4 heures.
      7. Rincer les substrats avec du toluène et de l'éthanol. Ensuite, placez les substrats dans les flacons de polymérisation.
    2. dépôt de l'initiateur sur des surfaces d'or
      1. Préparer une solution monocouche: dissoudre 2-bromo-2-méthyl-propionique l'acide 11- [11- (2-bromo-2-méthyl-propionyloxy) -undecyldisulfanyl] undécyle ester dans 20 ml de chloroforme dégazé (0,2 mM).
      2. Transfert ca. 1,5 ml de solution de monocouche dans un petit flacon qui a été préalablement purgé à l'argon.
      3. Nettoyer les substrats d'or revêtu avec du chloroforme etsolution piranha. Ensuite rincer avec de l'eau purifiée, l'éthanol et le chloroforme.
      4. Plonger les substrats nettoyés dans la monocouche-solution et fermer la fiole. Magasin O / N dans un endroit sombre.
      5. Nettoyer les sondes colloïdales d'or avec de l'éthanol et de chloroforme en les trempant dans les solvants.
      6. Immerger les sondes colloïdales dans le flacon contenant la solution de monocouche. Fermez correctement et le garder dans un endroit sombre O / N.
      7. Enlever les substrats à partir de la solution, on lave avec du chloroforme et de l'éthanol. Ensuite, transférer les initiateurs de substrats recouverts dans le ballon de polymérisation.
      8. Retirer les sondes à partir de la solution colloïdale de la monocouche, on lave avec du chloroforme et de l'éthanol. Ensuite, transférer chaque sonde séparément dans le flacon de polymérisation.
  2. Polymérisation
    1. SI-ATRP de PMMA
      1. Purger le ballon et flacons, contenant les substrats recouverts d'initiateur (à la fois Si et or) et les sondes colloïdales avec Argpendant 30 min.
      2. Dissoudre 10 g de méthacrylate de méthyle (MMA) dans le milieu ATRP (mélange eau / 10 ml de méthanol avec un rapport 5: 1) et dégazer la solution pendant 2 heures.
      3. Ajouter 145 mg et 320 mg CuBr 2,2-bipyridine dans un ballon équipé d'un barreau d'agitation magnétique et deoxygenize par trois cycles de remblai vide-Ar.
      4. Transférer la solution de monomère dégazé dans le ballon (contenant le cuivre) et agiter pendant 15 min jusqu'à ce que une solution brun clair est observé.
      5. Fixer une aiguille à une seringue de 2 ml et rincer l'aiguille et la seringue avec de l'argon 2-3 fois.
      6. Retirer la solution de polymérisation de 1 ml avec la seringue et d'injecter le contenu dans le petit flacon de réaction, contenant le colloïde sonde.
      7. Retirer la solution restante avec la seringue et injecter le contenu dans le flacon de réaction, contenant les substrats plats. Ajouter suffisamment de solution pour immerger chaque échantillon complètement.
      8. Effectuer la polymérisation pendant 40 heures à température ambiante.
      9. Rédéplacer les échantillons de la solution de polymérisation et on lave avec de l'éthanol et le chloroforme dans des cycles multiples. La coloration de l'échantillon indique la présence de la brosse.
      10. Enfin, sécher les substrats sous un courant d'azote.
      11. Gardez substrats plats dans une boîte d'azote. Magasin brosse polymère sondes modifiées dans le toluène.
    2. SI-10 ATRP de PNIPAM
      1. Purger le flacon et des flacons, contenant les substrats recouverts d'initiateur (à la fois Si et or) et les sondes de colloïde avec de l'argon pendant 30 min.
      2. Dissoudre 5,6 g de N -isopropylacrylamide et 320 ul PMDETA dans le milieu ATRP (1,6 ml d'eau et 18 ml de methanol) et dégazer la solution pendant 2 heures.
      3. Ajouter 76 mg CuBr dans un ballon équipé d'un barreau d'agitation magnétique et deoxygenize par trois cycles de remblai vide-Ar.
      4. Transférer la solution de monomère dégazé dans le ballon contenant le cuivre. Agiter pendant encore 15 minutes jusqu'à ce qu'une solution vert clair est observé.
      5. Fixer une aiguille à une seringue de 2 ml et rincer l'aiguille et la seringue avec de l'argon 2-3 fois.
      6. Retirer la solution de polymérisation de 1 ml avec la seringue et d'injecter le contenu dans le petit flacon de réaction, contenant le colloïde sonde. Répétez l'opération pour toutes les sondes.
      7. Retirer la solution restante avec la seringue et d'injecter le contenu dans le ballon de réaction, contenant les substrats plats. Ajouter suffisamment de solution pour immerger chaque échantillon complètement.
      8. Conduire la polymérisation pendant 2 heures à température ambiante.
      9. Retirer les échantillons de la solution de polymérisation et on lave avec de l'éthanol et de l'eau à travers de multiples cycles. La couleur apparaissant de l'échantillon indique la présence de la brosse.
      10. Plonger l'échantillon dans une solution 0,1 M d'EDTA et le garder dans la solution O / N pour enlever tout le cuivre. Laver avec de l'eau purifiée et de l'éthanol.
      11. Gardez les surfaces planes dans une boîte d'azote. Stocker sondes modifiées de pinceau de l'PNIPAM dans l'eau purifiée.
  3. Brosse caractérisation, infrarouge à transformée de Fourier (Figure 3)
    REMARQUE: Utilisez le pâturage angle en mode FTIR pour brosses de polymères sur substrat d'or et le mode de transmission FTIR pour brosses de polymères sur substrat Si. Séchez soigneusement tous les échantillons. Toute l'eau et la contamination solvant peuvent causer de graves dommages du détecteur.
    1. Démarrez l'équipement selon le manuel fourni par le fabricant.
    2. Définissez les paramètres suivants pour la mesure de l'échantillon: comprise entre 900 et 3700 cm -1 avec une résolution de 4 cm -1 et moyenne 32 scans dans chaque mesure.
    3. Nettoyer un substrat vierge selon le protocole utilisé pour la préparation de l'échantillon, sécher soigneusement et placez-le à la chambre de mesure.
    4. Appliquez le vide pendant 4 heures. Ensuite, enregistrer une analyse de fond.
    5. Retirer l'échantillon vide et placer la brosse de polymère échantillon sec revêtu dans la chambre de l'échantillon.
    6. Appliquer une dépression dans le samplchambre de e et enregistrer un échantillon de balayage toutes les 30 minutes pendant 5 heures.
    7. Identifier tous les pics dans les spectres de confirmer la composition chimique de la brosse de polymère. (Analyser Seuls les scans avec une ligne de base droite.)

2. Mesure AFM

  1. Grattez le substrat recouvert de brosse PMMA soigneusement avec une aiguille, rincer avec un bon solvant pour éliminer l'excès de polymère et le sécher.
  2. Monter les échantillons dans l'appareil de l'AFM et monter la sonde dans la cellule liquide.
  3. Aligner le laser sur l'extrémité du cantilever.
  4. Avec l'utilisation de la caméra, alignez la pointe ci-dessus une égratignure.
  5. Avant d'approcher et de se engager la pointe, réglez le balayage taille 0 nm. Ensuite, engager la pointe à la surface.
  6. Allez à «mode de rampe» et déterminer la sensibilité de déviation via courbes force à distance. Calibrer la constante de ressort normal en utilisant le 'air thermique »mis en œuvre dans le logiciel et ressort de torsion constante of cantilever utilisant le procédé de Wagner et al. 25
    1. Capter le bruit thermique de torsion du cantilever à l'air pendant 2 secondes en utilisant la capture de données à grande vitesse dans le logiciel (6,25 MHz).
    2. Autre bruit thermique dans la densité spectrale de puissance (V 2 / Hz) en utilisant la transformée de Fourier.
    3. Déterminer la résonance fondamentale et le facteur de qualité du cantilever dans l'air en utilisant le pic de résonance de la densité spectrale de puissance et l'équation d'un oscillateur harmonique simple, y compris le bruit de base (éq. 2 25 de la réf.).
    4. Calculer la constante de ressort de torsion à l'aide des dimensions inplane du cantilever (longueur et largeur), la densité et la viscosité du milieu environnant (air) et le facteur de qualité et de la fréquence de résonance déterminée dans l'étape 2.6.3 en utilisant la méthode de Sader 26.
      NOTE: Nous avons utilisé l'outil fourni sur le site de John Sader: www.ampc.ms.unimelb.edu.au/afm/calibration.html.
    5. Californielculate la torsion sensibilité angle de déflexion du cantilever en utilisant l'équation. 6 et 7 de la réf. 25.
    6. Autre la constante de ressort de torsion et la sensibilité de déviation latérale dans la sensibilité de la constante de rappel et la déviation en utilisant la taille de colloïde, l'épaisseur du cantilever et éq. 8 de la réf. 25.
      REMARQUE: le signal du détecteur peut maintenant être transformée en une force via: vigueur [N] = ressort latéral constant [N / m] * sensibilité de déviation latérale [M / V] * signal du détecteur [V].
  7. Mesurer la hauteur de la brosse du pinceau sec en imageant la brosse à un zéro au plus bas point de consigne de déviation possible. Déterminer la hauteur de la brosse à partir des files d'analyses de l'image capturée.
  8. Produit de solvatation de la brosse dans l'acétophénone en appliquant doucement à la surface avec une seringue.
    NOTE: La couleur de l'échantillon changements que le solvant se évapore. Ceci permet de suivre le processus de séchage.
  9. Monter l'échantillon à l'AFM. Aligner le signal vertical laser-1,0 V. Régler la consigne de déviation à 0 V et engager le cantilever et la surface.
    NOTE: Après avoir porté le cantilever en contact avec la surface, l'acétophénone se déplace dans la brosse sur le colloïde la création d'un pont capillaire entre la pointe et la surface.
  10. Définissez la taille de balayage à 40 um, désactiver les axes de balayage lent et mis en rapport d'aspect de l'image à 1: 4. Notez la hauteur et les canaux de l'image de friction (à la fois l'état de traces et de retraçage).
  11. Lorsque les images sont capturées retirer la console.
  12. Appliquez une goutte d'eau sur la surface de la brosse couverte PNIPAM, pour solvater la brosse PNIPAM.
  13. Soulevez la tête et remplacer rapidement la surface PMMA par la surface de PNIPAM solvaté pour créer le système non miscible. Soyez rapide lors de l'échange des surfaces, pour éviter l'évaporation de l'acétophénone de la brosse PMMA sur la sonde colloïdale.
  14. Engager la pointe et la surface, et enregistrer des images avec les mêmes paramètres que précédemment.

Résultats

La figure 4 montre des traces représentatives des forces de l'AFM lors du coulissement à la fois le miscibles et les systèmes de brosses de polymères non miscibles. La force de frottement F est normalisée par la force de frottement à l'état stable de glissement F sym pour le symétrique, système miscible. La hauteur de la brosse gonflé dans ces expériences était 1010 nm pour le PMMA et 532 nm pour PNIPAM. Les traces de force sont capturés après avoir suivi la procédure décrite dans la section Protocole. Dans ces expériences, la surface a été déplacé d'avant en arrière avec une vitesse v de 80 um / s, tout en appliquant une charge normale de 30 nN. La différence de force de frottement pour le (panneau de gauche) miscibles et non miscibles (panneau de droite) systèmes de brosses peut être clairement observé. La force de frottement de l'état d'équilibre dans le panneau gauche est 90x supérieure à la force de frottement de l'état d'équilibre dans le panneau droit. Pour le système non miscible à la force de frottement mesurée est typiquement de 0,5 à 2% de la force de frottement f mesuréou le système miscible. Bien que la réduction de la friction exacte dépend de la densité de greffage, le degré de polymérisation, la quantité de solvant, et (faiblement) sur la charge normale et la vitesse de glissement, il est toujours autour de deux ordres de grandeur. Si on augmente la vitesse de glissement pour le système décrit ci-dessus par un facteur 5 (à 400 um / s), la réduction de frottement diminue de 2%. Si nous augmentons la charge normale par un facteur 10 (à 300 nN), la réduction de frottement diminue de 3%.

figure-results-1
Figure 1. Schéma de croquis de l'installation. Panneau de gauche montre le système miscible, où les mêmes polymères sont greffés à la surface et le colloïde. Les balais sont solvatés dans un liquide à une seule phase. Le panneau de droite montre le système non miscible de deux brosses de polymères différents. Chaque brosse est solvaté dans son propre liquide préféré. Dans traditionnellesystèmes miscibles les polymères des brosses opposées se chevauchent. Pour le système non miscible, brosses opposées ne se entrecroisent que cette friction et l'usure lors du glissement est réduit.

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Figure 2. Schéma esquisse de la procédure de préparation de l'échantillon tel que décrit dans la section Protocoles. De gauche à droite montre la procédure de préparation de la brosse par dépôt de l'initiateur et de la surface initiée par transfert d'atomes polymérisation radicalaire (ATRP SI). Path (A) décrit les brosses greffés sur des surfaces de silicium, (B) brosses greffés sur des surfaces de silicium revêtues d'or et (C) brosses greffés de colloïdes d'or sur les sondes de microscopie à force atomique. Se il vous plaît cliquer ici pour voir alVersion Arger de ce chiffre.

figure-results-3
Figure 3. spectres FTIR du PMMA (bleu) et PNIPAM (vert) brosses de silicium (lignes épaisses) et l'or (lignes fines). Les données ont été prises à partir Suppl. Mat. de Réf. 22. nombres d'ondes de PMMA (cm - 1): 3,050-2,990 (CH vibration d'élongation), 1730 C = O (double liaison de vibration d'élongation), 1450 (CH 3 et CH 2 déformation vibrations), 1,260-1,040 (vibrations liaison simple étirement COC ), 880-960 (COC liaison simple déformation vibrations). À 1 730 cm - 1 la caractéristique étirement vibrations pic de la groupe C = O est évident PNIPAM nombres d'ondes (cm -1): 3289 (NH symétriques et asymétriques vibrations étirement), 3078, 2971, 2933, 2874 (CH asymétrique et symétrique étirement. en vibration -CH 2 -), 1635 (C = O de vibration d'élongation), 1535 (amide II), les déformations de flexion 1458 (CH asymétriques), les déformations de flexion 1386 (CH symétriques), 1,366-1,170 (CN vibrations d'étirement asymétriques). En 1635 et 1535 cm - 1, les pics caractéristiques d'étirement de vibration du groupe amide sont apparents.

figure-results-4
Figure 4. Averaged, filtrées et lissées traces de force lors du coulissement du miscible (à gauche) et (droit) des systèmes non miscibles (ajusté de la réf. 22). La surface est déplacé d'avant en arrière de 40 um à une vitesse de balayage de 1 Hz et charge normale de 30 nN.

Discussion

Les résultats présentés montrent que le frottement, pour les systèmes non miscibles de brosses solvatées individuellement, est fortement réduite par rapport aux systèmes traditionnels miscibles de deux des mêmes brosses solvatées. L'absorbance préférée des différents solvants dans les deux brosses empêche les brosses de interdigitées et par conséquent une importante source d'usure et de dégradation dans le pinceau de polymère friction est éliminé. La méthode présentée est donc fondamentalement différente de glisser hydrophile sec sur brosses hydrophobes, où le frottement sera déterminé par des interactions spécifiques à brosse 27. En fait, lors de cisaillement PMMA sur PNIPAM (effondré hauteur 166 nm) sans solvants, nous avons constaté que le frottement était de 50% plus élevé par rapport à sécher sur PMMA PMMA (effondré hauteur 236 m).

Comme déjà signalé peu de temps dans les notes de la section «protocole», il ya un couple de points cruciaux qui doivent être gardés à l'esprit lors de l'exécutionces expériences particulières: Tout d'abord, l'acétophénone est un meilleur solvant pour PNIPAM que l'eau. Ainsi, il faut veiller à ce que acétophénone ne entre pas la brosse de PNIPAM en mouillant la brosse PNIPAM avec beaucoup d'eau. Depuis acétophénone et l'eau ne se mélangent pas, l'acétophénone va maintenant pas entrer dans la brosse PNIPAM. Ce est pourquoi nous ne avons pas immerger complètement dans notre système acétophénone, mais plutôt créé un capillaire d'acétophénone pour le système miscible. Une autre raison de l'immersion incomplète, ce est que les résultats complets d'immersion en hydrodynamique trop forte, de sorte que nous ne avons mesuré la traînée Stokes sur le colloïde et en porte à faux. D'autre part, dans des expériences d'AFM les constantes de ressort de torsion et normales sont couplés. Cantilevers avec une faible constante de ressort normal auront également un relativement faible constante de ressort de torsion et vice versa. Cela limite le coefficient de frottement le plus faible mesurable à> 10 -3. Ainsi, dans le but de mesurer la réduction de la friction plein, la friction pour le missystème cible doit être élevé. Ceci est réalisé à l'aide de balais longs à haute densité et une vitesse de cisaillement relativement élevée, typiquement 100 m / s. En outre, le capillaire entre les balais augmente aussi les forces de frottement. Nous avons mesuré le coefficient de frottement le plus faible, pour un système non miscible à 22, de μ = 0,003 sous une contrainte normale d'environ 200 kPa. En utilisant les mêmes conditions expérimentales, on a trouvé que μ = 0,15 pour le système miscible.

A noter que les expériences ont été réalisées dans un environnement de laboratoire contrôlé et que les surfaces utilisées dans l'industrie ne sont pas aussi idéal que celui utilisé dans les expériences présentées. La plupart des surfaces ont une distribution de rugosité non uniforme 28 et donc de nombreuses aspérités de différentes formes et tailles. Au cours de la collision de deux aspérités de porte-balais, la friction est composé de différents canaux de dissipation 29. Mécanismes de dissipation à côté de l'état d'équilibre, comme interdigitation et de flux de solvant, il y aura des effets d'hystérésis dans la forme 30 en raison du temps de relaxation lente des polymères et solvant. En outre, les capillaires sont formés et rompus. Dans les systèmes de brosses miscible traditionnellement utilisés, interdigitation transitoire 31 amplifie hystérésis forme- et capillaire. Avec le système non miscible présentée ici, interdigitation transitoire est éliminé aussi. Par ailleurs, hystérésis capillaire peut être contourné par l'application de deux solvants non miscibles. Par conséquent, aussi pour la plus fréquente des surfaces rugueuses, la friction et l'usure sera réduit en utilisant des systèmes de pinceau non miscible 22. La principale source de friction qui reste est la déformation de la brosse. Ancrage polymères polyzwitterionic, qui sont connus pour leur faible frottement intrinsèque 32, sur l'une des surfaces peut minimiser ce dernier. Dans ces systèmes, la pression osmotique du solvant est élevée, entraînant peu de déformation de la brosse sous des charges normales élevés.

LeProcédé présenté des systèmes de brosses non miscibles peut être appliquée dans pratiquement ne importe quel système où un faible frottement est souhaitable. Les fonctions de la méthode et sous des pressions élevées. Cependant, il faut veiller à ce que la température est maintenue autour de RT. Les températures élevées endommagent les polymères, ce qui entraînera d'écoulement de liquide sur le contact et par conséquent un frottement élevé. Exemples d'application potentiel sont: seringues, systèmes de piston, roulements d'essieux et charnières.

Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Nous remercions M. Hempenius et E. Benetti pour des discussions fructueuses, Y. Yu pour une vérification minutieuse de la recette, M. Vlot pour la conception de l'image de la figure 1, C. Padberg et K. Smit pour le support technique. EK reconnaît l'Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO, TOP Grant 700.56.322, Nanotechnologie macromoléculaire avec stimulation Polymères Responsive) pour un soutien financier. SdB a été soutenu par la Fondation pour la recherche fondamentale sur la matière (FOM), qui est soutenu financièrement par l'Organisation néerlandaise pour la recherche scientifique (NWO).

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Méthacrylate de méthyleSigma-AldrichM55909  ;Monomère pour la synthèse du PMMA, nettoyé par pressage à travers une colonne d’alumine basique
(3-aminopropyl)triéthoxysilaneSigma-Aldrich440140monocouche de
triéthylamineSigma-AldrichT0886Réactif pour le couplage de la fraction initiateur ATRP.
2-bromo-2-méthylpropionyleSigma-Aldrich252271la fraction initiatrice ATRP.
toluèneBiosolve20150501Milieu de couplage pour le catalyseur ATRP
Sigma-Aldrich212865ATRP.
2,2&prime ;-BipyridylSigma-Aldrich14453Ligand complexant Cu pour ATRP de MMA
N,N,N&prime ;,N »,N"-PentamethyldiethylenetriamineSigma-Aldrich369497Cu ligand complexant pour ATRP de l’acide acétique NIPAM
98-100 %Merck8187551000Pour le nettoyage CuBr.
Acide sulfuriqueSigma-Aldrich320501Pour la préparation de la solution de Piranha
Peroxyde d’hydrogène 33 %Merck1.07210.1000Pour la préparation de la solution de Piranha
ÉthanolMerck1.00983.1000Pour le nettoyage des supports.
Oxyde d’aluminium basique 60  ;MerckPour le nettoyage des monomères.
ChloroformBiosolve3080501Pour le dépôt monocouche et le nettoyage du support.
MéthanolBiosolve13680501Pour milieu de polymérisation.
AcétophénoneAcros Organics102410010Pour l’environnement de mesure AFM.
N-isopropyl acrylamideAcros Organics412780250Monomère pour la synthèse du PNIPAM, recristallisé à partir de méthacrylate de toluène/hexane
poly(éthylène glycol)  ;Sigma-Aldrich409529Monomère pour la synthèse Si-POEGMA, nettoyé par pressage à travers une colonne d’alumine basique.
Systèmede purification MilliQ Advantage A 10Fluide ATRP, environnement de mesure AFM et pour le nettoyage du support.
Substrats en silicium  ;
Substrats revêtus d’or
Sonde AFM, CP-FM-AuSQubeMesure
[en-tête]
dithiodiundécane-11,1-diybis[2-bromo-2-methlpropanoate] (DTPR)Initiateur, pour Si-ATRP sur surfaces dorées.
Synthétisé selon Macromolécules, 33, 597 à 605 (2000).
Atomic Frorce MicroscopeBruker Contrôleur
silane déposée en phase vapeur AFM V multimode

Références

  1. Lee, S., Spencer, N. D. Materials science - Sweet, hairy, soft, and slippery. Science. 319, 575-576 (2008).
  2. Milner, S. T., Witten, T. A., Cates, M. E. Theory of the Grafted Polymer Brush. Macromolecules. 21, 2610-2619 (1988).
  3. Klein, J., Kumacheva, E., Mahalu, D., Perahia, D., Fetters, L. J. Reduction of Frictional Forces between Solid-Surfaces Bearing Polymer Brushes. Nature. 370, 634-636 (1994).
  4. Raviv, U., et al. Lubrication by charged polymers. Nature. 425, 163-165 (2003).
  5. Moro, T., et al. Surface grafting of artificial joints with a biocompatible polymer for preventing periprosthetic osteolysis. Nat Mater. 3, 829-836 (2004).
  6. Bureau, L., Leger, L. Sliding friction at a rubber/brush interface. Langmuir. 20, 4523-4529 (2004).
  7. Muller, M. T., Yan, X. P., Lee, S. W., Perry, S. S., Spencer, N. D. Lubrication properties of a brushlike copolymer as a function of the amount of solvent absorbed within the brush. Macromolecules. 38, 5706-5713 (2005).
  8. Kobayashi, M., et al. Friction behavior of high-density poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine) brush in aqueous media. Soft Matter. 3, 740-746 (2007).
  9. Zappone, B., Ruths, M., Greene, G. W., Jay, G. D., Israelachvili, J. N. Adsorption, lubrication, and wear of lubricin on model surfaces: Polymer brush-like behavior of a glycoprotein. Biophys J. 92, 1693-1708 (2007).
  10. Sui, X. F., Zapotoczny, S., Benetti, E. M., Schon, P., Vancso, G. J. Characterization and molecular engineering of surface-grafted polymer brushes across the length scales by atomic force microscopy. J Mater Chem. 20, 4981-4993 (2010).
  11. Li, A., et al. Covalently Cross-Linked Hydrogel Brushes with Tunable Interfacial and Bulk Properties. Macromolecules. 44, 5344-5351 (2011).
  12. Wang, N., et al. Nanomechanical and tribological characterization of the MPC phospholipid polymer photografted onto rough polyethylene implants. Colloid Surface B. 108, 285-294 (2013).
  13. Yoshizawa, H., Chen, Y. -L., Israelachvili, J. N. Fundemental mechanisms of interfacial friction. 1. Relation between adhesion and friction. J. Phys. Chem. 97, 4128-4140 (1993).
  14. Maeda, N., Chen, N. H., Tirrell, M., Israelachvili, J. N. Adhesion and friction mechanisms of polymer-on-polymer surfaces. Science. 297, 379-382 (2002).
  15. Klein, J. Shear, friction, and lubrication forces between polymer-bearing surfaces. Annu Rev Mater Sci. 26, 581-612 (1996).
  16. Leger, L., Raphael, E., Hervet, H. Surface-anchored polymer chains: Their role in adhesion and friction. Adv Polym Sci. 138, 185-225 (1999).
  17. Binder, K., Kreer, T., Milchev, A. Polymer brushes under flow and in other out-of-equilibrium conditions. Soft Matter. 7, 7159-7172 (2011).
  18. Galuschko, A., et al. Frictional Forces between Strongly Compressed, Nonentangled Polymer Brushes: Molecular Dynamics Simulations and Scaling Theory. Langmuir. 26, 6418-6429 (2010).
  19. Spirin, L., et al. Polymer-brush lubrication in the limit of strong compression. Eur Phys J E. 33, 307-311 (2010).
  20. Schorr, P. A., Kwan, T. C. B., Kilbey, S. M., Shaqfeh, E. S. G., Tirrell, M. Shear forces between tethered polymer chains as a function of compression, sliding velocity, and solvent quality. Macromolecules. 36, 389-398 (2003).
  21. Drummond, C. Electric-Field-Induced Friction Reduction and Control. Phys Rev Lett. 109, 154302(2012).
  22. Beer, S., Kutnyanszky, E., Schön, P. M., Vancso, G. J., Müser, M. H. Solvent-induced immiscibility of polymer brushes eliminates dissipation channels. Nat. Commun. 5, 3781(2014).
  23. Wong, T. S., et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature. 477, 443-447 (2011).
  24. Matyjaszewski, K., Xia, J. H. Atom transfer radical polymerization. Chem Rev. 101, 2921-2990 (2001).
  25. Wagner, K., Cheng, P., Vezenov, D. Noncontact Method for Calibration of Lateral Forces in Scanning Force Microscopy. Langmuir. 27, 4635-4644 (2011).
  26. Green, C. P., et al. Normal and torsional spring constants of atomic force microscope cantilevers. Rev. Sci. Instrum. 75, 1988-1996 (2004).
  27. Vyas, M. K., Schneider, K., Nandan, B., Stamm, M. Switching of friction by binary polymer brushes. Soft Matter. 4, 1024-1032 (2008).
  28. Persson, B. N. J., Albohr, O., Tartaglino, U., Volokitin, A. I., Tosatti, E. On the nature of surface roughness with application to contact mechanics, sealing, rubber friction and adhesion. J Phys-Condens Mat. 17, R1-R62 (2005).
  29. Beer, S., Müser, M. H. Alternative dissipation mechanisms and the effect of the solvent in friction between polymer brushes on rough surfaces. Soft Matter. 9, 7234-7241 (2013).
  30. Persson, B. N. J. Theory of rubber friction and contact mechanics. J Chem Phys. 115, 3840-3861 (2001).
  31. Briels, W. J. Transient forces in flowing soft matter. Soft Matter. 5, 4401-4411 (2009).
  32. Chen, M., Briscoe, W. H., Armes, S. P., Klein, J. Lubrication at Physiological Pressures by Polyzwitterionic Brushes. Science. 323, 1698-1701 (2009).

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Mots-clés

Greffage de PNIPAMGreffage de PMMAMicroscopie force atomiqueSyst mes polym res immisciblesPr paration de brosses polym resMesures de la force de frottementCaract risation des brosses polym resFormation de ponts capillaires

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