מאמר שיטה

מדידות הכנה וחיכוך מיקרוסקופית כוח של immiscible, המתנגדות למברשות פולימר

DOI:

10.3791/52285

⸱

24 בדצמבר 2014

 ,  ,  , 
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

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מוצגת המתודולוגיה לביצוע ניסויי מיקרוסקופיה של כוח חיכוך למברשות מגע: שתי מברשות פולימריות המורכבות מ-(א) מצעים ו-(ב) בדיקות קולואידיות מחליקות כדי להראות כי על ידי שימוש בשתי מערכות מברשות בלתי ניתנות לערבוב, החיכוך במגעי הזזה מצטמצם בהשוואה למערכות מברשות הניתנות לערבוב.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מברשות פולימר Solvated הם ידועים כדי לשמן את אנשי הקשר בלחץ גבוה, כי הם יכולים לקיים את עומס נורמלי חיובי, תוך שמירה על חיכוך נמוך בממשק. אף על פי כן, מערכות אלו יכולות להיות רגישות ללבוש בשל interdigitation של המברשות המנוגדות. בפרסום האחרון, שהראינו באמצעות סימולציות דינמיקה מולקולרית וניסויים מיקרוסקופי כוח אטומיים, כי שימוש במערכת מברשת פולימר immiscible סיום המצע ומשטחי המחוון, בהתאמה, יכול לחסל interdigitation כזה. כתוצאה מכך, ללבוש במגעים מצטמצם. יתר על כן, כוח החיכוך הוא בשני סדרי הגודל נמוך יותר בהשוואה למערכות מברשת פולימר בליל מסורתית. מערכת זו מוצעת חדשה ולכן בעל פוטנציאל גדול ליישום בתעשייה. כאן, מתודולוגיה לבניית מערכת מברשת פולימר immiscible של שתי מברשות שונות בכל solvated ידי הממס המועדף שלהם מוצגת. ההליך כיצד להרכיב pOly (-isopropylacrylamide N) (PNIPAM) מ( methacrylate מתיל) משטח ופולי שטוחים (PMMA) מבדיקה במיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) colloidal מתואר. PNIPAM הוא solvated במים וPMMA בacetophenone. באמצעות מדידות AFM כוח החיכוך, הוא הראה כי החיכוך למערכת זו מצטמצם אכן בשני סדרי גודל בהשוואה למערכת בליל של PMMA על PMMA solvated בacetophenone.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

חומרי סיכה מושלמים להפחית את החיכוך ובלאי למוצקים בתנועה היחסית גם כאשר עומסים נורמלים הם גבוהים. כדי להשיג זאת, חומר הסיכה צריכה להישאר בקשר במהלך הזזה ובמנוחה. עם זאת, תחת עומס נורמלי חיובי, נוזלים פשוטים, צמיגות נמוכה נדחקים במהירות משטח המגע ושמנים גבוהים אף יותר צמיגות מגורשים סופו של דבר. ובכל זאת, אנשי קשר ביולוגיים, למשל, במפרקי אדם, יישארו משומן עם נוזלי צמיגות נמוכה בכל העת. טבע מבין שימון יעיל כגון שימוש בסוכר רשתות מחוברים למשטחים מוצקים 1. שרשרות הסוכר הידרופילי לשמור נוזל המימי במגע בלבד שהלחץ הנורמלי אינו עולה על הלחץ האוסמוטי של 2 הממס. לכן, הרבה מאמץ הופנה כלפי מחקת חומרי סיכה ביולוגיות על ידי השתלת פולימרים למשטחים מוצקים יוצרים מברשות פולימר שנקרא 3-12.

כאשר שני פולימרים היריביםמברשות מובאות במגע, קטעים של שרשרות הפולימר בצד אחד יכולים לעבור למקטעי שרשרת מברשת בצד השני. אפקט זה נקרא interdigitation 13. כאשר המברשות נמצאות בתנועה החלקה היחסית, interdigitation הוא המקור העיקרי ללבוש 14 וחיכוך 15-17. למעשה, לאחרונה, חיכוך-מהירות יחסי הזזה מברשות פולימר כבר נגזרו 18. חוקים דרוג אלה מבוססים על interdigitation וכתוצאה מכך המתיחה וכיפוף של הפולימרים על הזזה. המאפיינים העיקריים מסכימים עם תוצאות של ניסויי מנגנון כוחות משטח 19 ושל דינמיקה מולקולרית (MD) סימולציות 20. בחודש האחרון את מידת החפיפה ניתן לכמת באופן ישיר. יתר על כן, ניתן היה לראות שהחפיפה בין מברשות polyelectrolyte יכולה להיות מכוונת על ידי החלת שדה חשמלי 21. לכן, אם interdigitation ניתן לעקוף, חיכוך ושחיקה במערכות אלה יהיו משמעותיתמופחת tly.

בפרסום האחרון 22 שהראינו באמצעות סימולציות MD ששתי מערכות מברשת פולימר solvated immiscible למנוע חפיפה בין המברשות. יתר על כן, על הזזה המברשות, מצאנו ירידה של כוח החיכוך בשני סדרי גודל בהשוואה למערכות המברשת בליל המסורתיות, בהסכם מצוין עם מיקרוסקופ הכוח האטומי שלנו (AFM) מדידות. כאן, אנו מסבירים בפירוט כיצד להגדיר את ניסויי AFM של Ref. 22. העיקרון הבסיסי הוא שרטט באיור 1. בשתי נגדי משטחים, שתי מברשות שונות, כל אחד solvated ידי הממס המועדף שלהם, יש צורך. בתצורה זו כל מברשת נשארה בממס משלו. כתוצאה מכך, מגזרי פולימר ממברשת אחת אינם חודרים למברשת אחרת. פולי (methacrylate מתיל) (PMMA) הוא מורכב מבדיקת colloidal AFM ומברשת solvated ידי acetophenone. מפולי המשטח השטוח (-isopropylacrylamide N) (PNIPAM) הוא מורכב וsolvated במים. להשוות את המערכת הנוכחית למערכות מסורתיות בליל, נגד משטח שטוח שני נושאות מברשת PMMA solvated בacetophenone הוא עשה. כוח החיכוך שנמדד על הזזה מערכת immiscible של PMMA בPNIPAM הוא כ 1% מהחיכוך למערכת בליל של PMMA על PMMA. שים לב כי השימוש במערכות מברשת מיוחדות אלה הוא רק דוגמא אחת. השיטה המוצגת היא כללית ועובדת עקב הספיגה המועדפת של הממסים במברשות השונות. לכן, יותר סוגים של מברשות צפויים להיות ישים, כל עוד הממסים נבחרו דה-תערובת בשתי מברשות. ההשפעה מוגברת על ידי שימוש בשני ממסים-ערבוב שאינו (כמו acetophenone ומים) באופן שנוזל-על-הזזה-נוזל חלקלק נוסף ממשק נוצר 22,23.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הערה: איור 2 מדגים את הליך הכנת מדגם. מצעי מברשות פולימר היו מורכבים מסיליקון (Si) (נתיב (א)), ממצעים מצופים זהב (100 ננומטר זהב התאדה על Si רקיק שיש שכבת 10 ננומטר הידבקות Cr, נתיב (ב)), ומבדיקות AFM colloidal זהב (6 מיקרומטר קוטר, נתיב (ג)) על ידי משטח יזם אטום-העברה פילמור הרדיקלי (SI-ATRP) 24. מדידות AFM בוצעו על AFM-אופניים עם ראש הרעש הנמוך, אנכי לעסוק סורק ונוזל תא.

הכנת 1. לדוגמא

  1. הכנת מצע
    1. בתצהיר יוזם על משטחי סיליקון.
      1. נקה את מצעי סיליקון עם כלורופורם, אז פתרון פיראניה, לאחר מכן לשטוף עם מים מטוהרים, אתנול וכלורופורם.
      2. מניחים את מצעים יבשים לייבוש סביב בקבוקון המכיל 50 μl triethoxysilane (3-aminopropyl).
      3. לפנות את שנינות הייבושחה משאבה סיבובית שבשבת במשך 15 דקות ולסגור אותו לאחר מכן. לאפשר לאדים בתצהיר כדי להמשיך O / N.
      4. הכן פתרון של 40 מיליליטר טולואן (degased) ו -40 triethylamine μl בארלנמייר.
      5. מניחים את מצעים בבקבוק ושחרר-חכם להוסיף 40 μl 2-bromo-2-methylpropionyl. שמור את מצעים בפתרון, כדי למנוע בתצהיר של גבישי מלח שנוצרו בתמיסה.
      6. מערבבים את הפתרון עבור 4 שעות.
      7. יש לשטוף את מצעים עם טולואן ואתנול. בשלב הבא, למקם את מצעים לבקבוקוני פילמור.
    2. בתצהיר יוזם על משטחי זהב
      1. הכן פתרון monolayer: לפזר חומצה 2-bromo-2-מתיל-פרופיונית 11- [11 (2-bromo-2-מתיל-propionyloxy) -undecyldisulfanyl] -undecyl אסתר ב 20 מיליליטר degassed כלורופורם (0.2 מ"מ).
      2. העברת בקירוב 1.5 מיליליטר פתרון monolayer לתוך בקבוקון קטן שהיה סמוק בעבר עם ארגון.
      3. נקה את מצעים מצופים זהב עם כלורופורם ופתרון פיראניה. בהמשך לכך לשטוף עם מים מטוהרים, אתנול וכלורופורם.
      4. לטבול את מצעים ניקו לmonolayer-הפתרון ולסגור את הבקבוק. O חנות / N במקום חשוך.
      5. נקה את בדיקות colloidal זהב עם אתנול וכלורופורם על ידי טבילתם לממסים.
      6. לטבול את בדיקות colloidal לתוך הבקבוקון המכיל את פתרון monolayer. סגור היטב ולשמור אותו במקום חשוך O / N.
      7. הסר את מצעים מהפתרון, לשטוף עם כלורופורם ואתנול. בשלב הבא, להעביר את מצעי היוזם מצופה לתוך בקבוק פילמור.
      8. הסר את בדיקות colloidal מפתרון monolayer, לשטוף עם כלורופורם ואתנול. בשלב הבא, להעביר כל בדיקה בנפרד לתוך בקבוקון פילמור.
  2. פלמור
    1. SI-ATRP של PMMA
      1. טהר את הבקבוק ובקבוקונים, המכיל את מצעים מכוסים יוזם (שני Si וזהב) ובדיקות colloidal עם Argבלמשך 30 דקות.
      2. ממיסים 10 גרם methacrylate מתיל (MMA) במדיום ATRP (תערובת / מים 10 מיליליטר מתנול עם יחס 1: 5) ודגת הפתרון עבור שעה 2.
      3. להוסיף 145 מ"ג CuBr ו320 מ"ג 2,2-bipyridine לתוך בקבוק מצויד בבר ערבוב מגנטי, ועל ידי deoxygenize 3 מחזורי מילוי ואקום-אר.
      4. מעביר את פתרון מונומר degassed לתוך הבקבוק (המכיל נחושת) ומערבבים לעוד 15 דקות עד לפתרון חום ברור הוא ציין.
      5. צרף מחט מזרק 2 מ"ל ולשטוף את המחט והמזרק עם ארגון 2-3 פעמים.
      6. לסגת פתרון פילמור 1 מיליליטר עם המזרק ולהזריק את התוכן לתוך בקבוקון התגובה הקטן, המכיל את חללית קולואיד.
      7. למשוך את הפתרון שנותר עם המזרק ולהזריק את התוכן לתוך בקבוקון התגובה, המכיל את מצעים שטוחים. הוסף מספיק פתרון ללהטביע כל דגימה לחלוטין.
      8. לנהל את פילמור במשך 40 שעות בRT.
      9. Reלהעביר את הדגימות מפתרון פילמור ולשטוף עם אתנול וכלורופורם במחזורים מרובים. הצביעה של המדגם מעידה על קיומו של המברשת.
      10. לבסוף, לייבש את מצעים תחת זרם של חנקן.
      11. שמור מצעים שטוחים בתיבת חנקן. מברשת פולימרי חנות שונה בדיקות בטולואן.
    2. SI-ATRP של PNIPAM 10
      1. טהר את הבקבוק ובקבוקונים, המכיל את מצעים מכוסים יוזם (שני Si וזהב) ובדיקות קולואיד עם ארגון למשך 30 דקות.
      2. לפזר -isopropylacrylamide N 5.6 g וPMDETA 320 μl במדיום ATRP (1.6 מיליליטר מים ו -18 מיליליטר מתנול) ודגת הפתרון עבור שעה 2.
      3. להוסיף CuBr 76 מ"ג לתוך בקבוק מצויד בבר ערבוב מגנטי, ועל ידי deoxygenize 3 מחזורי מילוי ואקום-אר.
      4. מעביר את פתרון מונומר degassed לתוך הבקבוק המכיל נחושת. מערבבים לעוד 15 דקות עד לפתרון ירוק וצלול הוא ציין.
      5. צרף מחט מזרק 2 מ"ל ולשטוף את המחט והמזרק עם ארגון 2-3 פעמים.
      6. לסגת פתרון פילמור 1 מיליליטר עם המזרק ולהזריק את התוכן לתוך בקבוקון התגובה הקטן, המכיל את חללית קולואיד. חזור לכל הבדיקות.
      7. למשוך את הפתרון שנותר עם המזרק ולהזריק את התוכן לתוך בקבוק התגובה, המכיל את מצעים שטוחים. הוסף מספיק פתרון ללהטביע כל דגימה לחלוטין.
      8. לנהל את פילמור לשעה 2 ב RT.
      9. הסר את הדגימות מפתרון פילמור ולשטוף עם אתנול ומים במחזורים מרובים. הצבע של המדגם המופיע מעיד על קיומו של המברשת.
      10. לטבול את המדגם לפתרון 0.1 M EDTA ולשמור אותו בO הפתרון / N כדי להסיר את כל הנחושת. לשטוף עם מים ואתנול מטוהרים.
      11. שמור את מצעים שטוחים בתיבת חנקן. אחסן בדיקות שונה מברשת PNIPAM במים מטוהרים.
  3. אפיון מברשת, Fourier Transform אינפרא אדום (איור 3)
    הערה: זווית מרעה להשתמש במצב FTIR למברשות פולימר על מצע זהב ומצב FTIR שידור למברשות פולימר על מצע Si. ייבש את כל הדגימות בזהירות. כל מים וזיהום ממס יכולים לגרום נזק חמור של הגלאי.
    1. להפעיל את הציוד בהתאם להוראות הניתנות על ידי היצרן.
    2. הגדר את הפרמטרים למדידת המדגם הבאים: טווח שבין 900 ו3,700 -1 סנטימטר עם רזולוציה של 4 סנטימטר -1 ו -32 סריקות ממוצעת בכל מדידה.
    3. נקה מצע ריק בהתאם לפרוטוקול המשמש להכנת מדגם, לייבש היטב ומניח אותו לתא המדידה.
    4. החל ואקום במשך 4 שעות. בשלב הבא, להקליט סריקה ברקע.
    5. הסר את המדגם הריק ומניח את המדגם היבש מברשת מצופה פולימר במדגם קאמרי.
    6. החל ואקום בsamplתא דואר ולהקליט מדגם סריקה כל 30 דקות במשך 5 שעות.
    7. לזהות את כל השיאים בספקטרום כדי לאשר הרכב כימי של מברשת הפולימר. (לנתח רק סריקות עם בסיס ישר.)

2. מדידת AFM

  1. גרד את המצע מכוסה מברשת PMMA בזהירות עם מחט, לשטוף עם ממס טוב כדי להסיר את העודפים של פולימר ולייבש אותו.
  2. הר הדגימות לתוך מכשיר AFM והר הבדיקה לנוזל התא.
  3. יישר את הלייזר על קצה שלוחה.
  4. עם שימוש במצלמה, ליישר את הקצה מעל שריטה.
  5. לפני מתקרב ועוסק הקצה, להגדיר את גודל 0 nm הסריקה. בשלב הבא, לעסוק בקצה אל פני השטח.
  6. עבור אל 'מצב רמפה' ולקבוע את רגישות הסטייה באמצעות עקומות מרחק כוח. כייל את קבוע הקפיץ הרגיל באמצעות 'מנגינת התרמית "כפי שהיא מתבצעת o הקבועה התוכנה ואביב torsionalf שלוחה בשיטה של et al וגנר. 25
    1. ללכוד את הרעש התרמי torsional של שלוחה באוויר במשך 2 שניות באמצעות לכידת נתונים במהירות הגבוהה בתוכנה (6.25 MHz).
    2. להמיר את הרעש התרמי לצפיפות ספקטרלית כוח (V 2 / Hz) באמצעות ההתמרה פורייה.
    3. לקבוע את התהודה הבסיסית וגורם האיכות של שלוחה באוויר באמצעות תהודת השיא בצפיפות ספקטרלית כוח ואת המשוואה למתנד הרמוני פשוט הכוללים רעש בסיס (EQ. 2 של Ref. 25).
    4. חשב את קבוע קפיץ torsional באמצעות ממדי inplane של שלוחה (אורך ורוחב), הצפיפות וצמיגות של המדיום (אוויר) המקיף את גורם האיכות ותדר תהודה קבעו בשלב 2.6.3 בשיטה של צדר 26.
      הערה: השתמשנו בכלי מסופק באתר האינטרנט של ג'ון צדר: www.ampc.ms.unimelb.edu.au/afm/calibration.html.
    5. Calculate רגישות סטיית זווית torsional של שלוחה באמצעות EQ. 6 ו -7 של Ref. 25.
    6. להמיר את קבוע קפיץ torsional ורגישות סטייה לרגישות הקבועה קפיץ וסטייה לרוחב שימוש בגודל של קולואיד, העובי של שלוחה וEQ. 8 של Ref. 25.
      הערה: אות הגלאי כעת ניתן להמיר את כוח באמצעות: כוח [N] = [מ 'N /] אביב לרוחב קבוע * רגישות סטייה לרוחב [מ' / V] * אות גלאי [V].
  7. מדוד את גובה המברשת של המברשת היבשה על ידי ההדמיה המברשת בשריטה בsetpoint הסטייה הנמוכה ביותר האפשרי. לקבוע את גובה המברשת מהקו-הסריקות של התמונה שצולמה.
  8. Solvate המברשת בacetophenone ידי בעדינות מרח אותה על פני השטח עם מזרק.
    הערה: הצבע של מדגם שינויים כמתאדה ממס. זה מאפשר לבעקבות תהליך הייבוש.
  9. הר המדגם לAFM. יישר את אות הלייזר האנכית ל-1.0 V. הגדר את setpoint הסטייה ל0 V ולעסוק שלוחה ופני שטח.
    הערה: לאחר הבאת שלוחה במגע עם פני השטח, acetophenone עוברת למברשת על קולואיד יצירת גשר בין נימי הקצה ועל פני השטח.
  10. הגדר את גודל הסריקה עד 40 מיקרומטר, להשבית את הצירים איטיים סריקה ויחס גובה-רוחב תמונה מוגדר 1: 4. רשום את הגובה וערוצי תמונת חיכוך (שניהם בוחנים הלוך ושוב).
  11. כאשר התמונות שנתפסו לסגת שלוחה.
  12. החל טיפה של מים על פני השטח מכוסה מברשת PNIPAM, לsolvate מברשת PNIPAM.
  13. הרם את הראש ומהר להחליף את משטח PMMA על ידי משטח PNIPAM solvated ליצור מערכת immiscible. להיות מהיר כאשר החלפת המשטחים, כדי למנוע אידוי של acetophenone ממברשת PMMA בבדיקת colloidal.
  14. לעסוק קצה ושטח, ותמונות שיא עם פרמטרים זהים כמו בעבר.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

איור 4 מראה עקבות כוח AFM נציג על הזזה שני בליל ומערכות מברשת פולימר immiscible. F כוח החיכוך הוא מנורמל על ידי כוח החיכוך במצב יציב הזזה SYM F עבור סימטרי, מערכת בליל. גובה המברשת הנפוח בניסויים אלה היה 1,010 ננומטר לPMMA 532 ננומטר ולPNIPAM. עקבות הכוח נלכדות לאחר ביצוע ההליך המתואר בסעיף הפרוטוקול. בניסויים אלו פני השטח הועברו הלוך ושוב עם v מהירות של 80 מיקרומטר / sec בעת החלת עומס רגיל של 30 NN. ההבדל בכוח חיכוך ל( פנל משמאל) בליל ומערכות מברשת immiscible (מימין פנל) יכול להיות שנצפה באופן ברור. כוח חיכוך המצב היציב בלוח השמאלי הוא גבוה יותר מאשר 90x כוח חיכוך המצב היציב בפנל ימני. למערכת immiscible כוח החיכוך שנמדד הוא בדרך כלל 0.5-2% מכוח החיכוך f נמדדאו המערכת בליל. למרות הפחתת החיכוך המדויקת תלויה בצפיפות ההשתלה, התואר של פילמור, הסכום של ממס, ו( חלש) בעומס הרגיל ומהירות החלקה, זה תמיד סביב שני סדרי הגודל. אם תגדיל את מהירות החלקה למערכת שתוארה לעיל על ידי 5 (עד 400 מיקרומטר / sec) גורם, הפחתת החיכוך יורדת ב -2%. אם תגדיל את העומס הרגיל על ידי גורם 10 (300 NN), הפחתת החיכוך יורדת ב -3%.

figure-results-1
איור 1. סקיצה סכמטי של ההתקנה. לוח שמאלי מציג את המערכת בליל, שבו אותו הפולימרים מורכבים מהמשטח וקולואיד. מברשות solvated בנוזל אחד-שלב. הפנל הימני מראה מערכת immiscible של שתי מברשות פולימר שונות. כל מברשת solvated בנוזל המועדף משלו. במסורתימערכות ליל הפולימרים של המברשות הפוכות חופפות. למערכת immiscible, מברשות הפוכות לא interdigitate חיכוך כזה ושללבוש במהלך הזזה מצטמצמת.

figure-results-2
איור 2. סקיצה סכמטי של מדגם הליך ההכנה כפי שתואר בסעיף הפרוטוקולים. משמאל לימין מראה את ההליך של הכנת מברשת באמצעות תצהיר יוזם ופילמור העברת אטום משטח יזם הרדיקלי (SI ATRP). נתיב () מתאר את המברשות מורכבים ממשטחי סיליקון, (B) מברשות מורכבים ממשטחי זהב מצופה סיליקון ומברשות (C) מורכבים מקולואידים זהב על בדיקות מיקרוסקופ כוח אטומי. אנא לחץ כאן לצפייה באלגרסת arger של נתון זה.

figure-results-3
איור 3. ספקטרום FTIR של PMMA (הכחול) וPNIPAM (ירוק) מברשות על סיליקון (קווים עבים) וזהב (קווים דקים). הנתונים נלקחו מSuppl. מחצלת. של Ref. 22. wavenumbers PMMA (סנטימטר - 1): 3,050-2,990 (רטט מתיחת CH), 1,730 C = O (רטט מתיחת קשר כפול), 1,450 (CH 3 CH 2 ורטט עיוות), 1,260-1,040 רטט קשר יחיד COC מתיחה ( ), 880-960 (COC רטט עיוות קשר יחיד). ב1,730 סנטימטר - 1 שיא רטט המתיחה האופייני ל= קבוצת O C ניכר wavenumbers PNIPAM (-1 סנטימטר): 3289 (סימטרי NH ורטט מתיחה סימטרי), 3,078, 2,971, 2933, 2874 (CH א-סימטרי והסימטרי מתיחה. רטט ב-CH 2 -), 1,635 (C = O רטט מתיחה), 1,535 (אמיד II), עיוותי כיפוף 1,458 (א-סימטרי CH), עיוותי כיפוף 1,386 (סימטרי CH), 1,366-1,170 (תנודות מתיחה סימטריות CN). ב1,635 ו1,535 סנטימטר - 1 פסגות רטט מתיחה אופייניות לקבוצה אמיד ניכרים.

figure-results-4
איור 4. בממוצע, מסונן והחליק עקבות תוקף עם הזזה בליל (משמאל) ו( מימין) מערכות immiscible (מנוכה מRef. 22). המשטח נע הלוך ושוב ב -40 מיקרומטר בסריקה-שיעור 1 הרץ ו עומס רגיל של 30 NN.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

התוצאות שהוצגו עולות כי החיכוך, למערכות immiscible של מברשות solvated בנפרד, בחום מופחת בהשוואה למערכות מסורתיות בליל של שתיים מאותו המברשות solvated. הספיגה המועדפת של הממסים השונים בשתי מברשות מונעת מברשות מinterdigitating וכתוצאה מכך למקור עיקרי של שחיקה ופיזור בחיכוך מברשת פולימר מתבטלת. השיטה המוצגת לכן שונה במהותו מלהחליק הידרופילי יבש על מברשות הידרופובי, שבו החיכוך ייקבע על ידי אינטראקציות מברשת ספציפית 27. למעשה, על גז PMMA על PNIPAM (ננומטר התמוטט גובה 166) ללא ממסים, מצאנו כי החיכוך היה גבוה ב -50% בהשוואה לייבוש PMMA על PMMA (מ 'התמוטט גובה 236).

כפי שכבר ציינו, זמן קצר בביאורים לסעיף "הפרוטוקול", יש כמה נקודות חשובות שצריכים לזכור בעת ביצועניסויים אלה בפרט: ראשית, acetophenone הוא טוב יותר ממס עבור PNIPAM מאשר מים. לפיכך, יש להקפיד שacetophenone לא נכנס למברשת PNIPAM על ידי הרטבת מברשת PNIPAM עם הרבה מים. מאז acetophenone ומים לא מתערבבים, acetophenone עכשיו לא להיכנס למברשת PNIPAM. זו הסיבה שאנו לא לטבול המערכת שלנו לחלוטין בacetophenone, אך במקום זאת יצרו נימי acetophenone למערכת בליל. סיבה נוספת לטבילה שלמה היא שתוצאות טבילה מלאה בhydrodynamics החזק מדי, כזה שרק מדדו את גרירת סטוקס על קולואיד והשלוחה. שנית, בניסויי AFM קבועי אביב torsional ונורמלים הם מצמידים. גם זיזים עם קבוע קפיץ נורמלי נמוך יהיו קבועים נמוך יחסית torsional אביב ולהיפך. זה מגביל את מקדם החיכוך הנמוך ביותר למדידה ל> 10 -3. לפיכך, על מנת למדוד את ההפחתה המלאה חיכוך, החיכוך לmisמערכת cible צריכה להיות גבוה. זו מושגת על ידי שימוש במברשות בצפיפות גבוהה ארוכות ומהירות גזירה גבוהה יחסית של בדרך כלל 100 מ '/ שנייה. יתר על כן, הנימים בין המברשות גם מגדילה את כוחות החיכוך. מדדנו את מקדם החיכוך הנמוך ביותר, למערכת immiscible 22, של μ = 0.003 תחת לחץ נורמלי משוער של 200 kPa. שימוש באותה תנאי ניסוי, מצאנו כי μ = 0.15 למערכת בליל.

שים לב שהניסויים בוצעו בסביבת מעבדה מבוקרת ושמשטחים המשמשים בתעשייה אינם אידיאליים כמו בשימוש בניסויים שהוצגו. רוב משטחי הפצת חספוס לא אחידה 28 וכך asperities רבות של צורות וגדלים שונים. במהלך ההתנגשות של שתי asperities נושאות מברשת, החיכוך מורכב מערוצי פיזור שונים 29. מנגנוני פיזור ליד מצב יציב, כגון interdigitation וזרימת ממס, יהיו השפעות hysteretic בצורה 30 בשל זמן ההרפיה האיטי של הפולימרים והממס. חוץ מזה, נימים נוצרות ושבורה. במערכות מברשת בליל משמשים באופן מסורתי, interdigitation החולף 31 מגביר hysteresis shape- ונימים. עם מערכת immiscible שהוצגה כאן, interdigitation החולף מסולק מדי. יתר על כן, hysteresis נימים ניתן לעקוף על ידי יישום של שני ממסים immiscible. לכן, גם למשטחים מחוספס, החיכוך נפוץ יותר וללבוש יופחת שימוש במערכות מברשת immiscible 22. המקור העיקרי לחיכוך שנותר הוא עיוות מברשת. עיגון פולימרים polyzwitterionic, אשר ידוע לחיכוך הנמוך הפנימי שלהם 32, על אחד המשטחים יכול למזער את האפשרות השנייה. במערכות כאלה הלחץ האוסמוטי של הממס הוא גבוהה וכתוצאה מכך עיוות מברשת קטנה תחת עומסים נורמלים גבוהים.

שיטה הוצגה מערכות מברשת immiscible יכולה להיות מיושמת כמעט בכל מערכת שבה חיכוך נמוך רצוי. פונקציות השיטה גם תחת לחצים גבוהים. עם זאת, יש להקפיד שהטמפרטורה נשמרת סביב RT. טמפרטורות גבוהות לפגוע בפולימרים, דבר שיגרמו לנוזל זרימה מתוך המגע וכתוצאה מכך גבוה חיכוך. דוגמאות ליישום פוטנציאל הם: מזרקים, מערכות בוכנה, מסבי ציר וצירים.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אנו מודים M. Hempenius וא בנטי לדיונים פוריים, י 'יו לבדיקה מדוקדקת של המתכון, מ' Vlot לעיצוב דמותו של איור 1, ג Padberg וק סמית לקבלת תמיכה טכנית. EK מכיר בארגון הולנד למחקר מדעי (NWO, TOP גרנט 700.56.322, Macromolecular ננוטכנולוגיה עם Stimulus הפולימרים Responsive) לתמיכה כספית. SDB כבר נתמך על ידי הקרן למחקר בסיסי בעניין (FOM), אשר נתמכת כלכלית על ידי ארגון הולנד למחקר מדעי (NWO).

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
מתיל מתאקרילטסיגמא-אולדריץ'M55909 מונומר לסינתזה PMMA, מנוקה על ידי לחיצה דרך עמוד אלומינה בסיסי
(3-אמינופרופיל) טריאתוקסילאןסיגמא-אולדריץ'440140מגיב סילאן חד-שכבתי
טריאתילאמיןסיגמא-אולדריץ'T0886לצימוד חלקי יוזם ATRP.
2-ברומו-2-מתילפרופיונילסיגמא-אולדריץ'252271חלק יוזם ATRP.
טולואןBiosolve20150501מדיום צימוד לחלק ATRP
CuBrSigma-Aldrich212865זרז ATRP.
2,2′-BipyridylSigma-Aldrich14453ליגנד קומפלקס Cu עבור ATRP של MMA
N,N,N,N′,N",N"-PentamethyldiethylenetriamineSigma-Aldrich369497Cu קומפלקס ליגנד עבור ATRP של
חומצה אצטית NIPAM 98-100%Merck8187551000לניקוי CuBr.
חומצה גופרתיתסיגמא-אולדריץ'320501להכנת תמיסת פיראנה
מי חמצן 33%מרק1.07210.1000להכנת תמיסת פיראנה
אתנולMerck1.00983.1000לניקוי מצעים.
תחמוצת אלומיניום בסיסית 60 Merckלניקוי מונומרים.
ChloroformBiosolve3080501לתצהיר חד שכבתי וניקוי מצע.
13680501 מתנולביו-פתורלמדיום פילמור.
AcetophenoneAcros Organics102410010לסביבת מדידת AFM.
N-איזופרופיל אקרילאמידAcros Organics412780250מונומר לסינתזה של PNIPAM, התגבש מחדש מטולואן/הקסאן
פולי (אתילן גליקול) מתקרילט סיגמא-אולדריץ'409529מונומר לסינתזה של Si-POEGMA, מנוקה על ידי לחיצה דרך עמוד אלומינה בסיסי.
מערכת טיהור מים MilliQ Advantage A 10 מדיום ATRP, סביבת מדידת AFM ולניקוי מצע.
מצעי סיליקון 
מצעים מצופים זהב
AFM בדיקה, CP-FM-AuSQubeמדידת
[header]
dithiodiundecane-11,1-diybis[2-bromo-2-methlpropanoate] (DTPR)יוזם, עבור Si-ATRP על משטחי זהב.
מסונתז לפי Macromolecules, <חזק>33, 597-605 (2000).
מיקרוסקופ אטומי FrorceBruker Multimode V
אדים AFM בקר

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

PNIPAMPMMA

מאמרים קשורים