הכנה של ממברנות אור תגובה על ידי הארכת משטח משולבת ותהליך Postmodification

המטרה הכללית של הניסוי הבא היא לשנות את חדירותן של ממברנות פולימריות בעלות קצוות עקבות (track edged polymer membranes) תחת אור UV או אור לבן, וזאת על ידי שינוי הפני השטח באמצעות מולקולות פוטוכרומיות. הדבר מושג תחילה על ידי טיפול של הממברנה הפולימרית בפלסמה כדי להשרות רדיקלים על פני השטח. השלב השני הוא הוספת תמיסת מונומר במתנול לביצוע פולימריזציה שמתחילה על פני השטח של הממברנה.

בשלב הבא, הפולימר המושתר עובר מודיפיקציה לאחר הפולימריזציה באמצעות חומרים פוטוכרומיים. לבסוף, מדידות חדירות של הממברנות המגיבות לאור משמשות להדגמת האופן שבו אור UV משנה את חדירות הקפאין דרך הממברנה. היתרון המרכזי של פולימריזציה המונחית פלזמה הוא שניתן ליצור בקלות ובאופן הומוגני ציפויים הקשורים קוולנטית לממברנות בצורה הדירה.

הדגמה חזותית היא קריטית, כפי שקורה בהגדרת ה-ADE שלנו. הממברנות עוברות פולימריזציה מיד לאחר טיפול בפלזמה ובתנאים אינרטיים. שיטה זו מסייעת במתן מענה לשאלות מפתח בציפוי מהיר של משטחים ומביאה פונקציונליזציה הקשורה בקוולנטיות לפני השטח.

הרעיון לשיטה זו עלה תחילה כאשר שוחחנו עם מומחים בתחום ציפוי הפלזמה. לפני כן, ניסינו להשתמש בשיטות ציפוי קלאסיות כגון spin coating ו-dip coating, אך הניסיונות לא צלחו. באופן כללי, אנשים שאינם מכירים את השיטה עלולים להתקשות בביצועה, שכן פונקציונליזציה של פלזמה היא טכנולוגיה מורכבת בשל ריבוי הפרמטרים שניתן להתאים.

את הפרוצדורה תדגים קארין דרהר, סטודנטית, טכנאית, וקארין לר, מדענית מהקבוצה שלי. ראשית, המיסו 100 milliliters של 2-Hydroxyethyl methacrylate או Hema ב-200 milliliters של מים. לאחר העברת התערובת למשפך הפרדה, שטפו אותה שלוש פעמים עם 100 milliliters של hexane, ולאחר מכן הסירו את שטיפות ה-hexane. רוו את הפאזה המימית ב-sodium chloride וחלצו את ה-hema באמצעות 50 milliliters של diethyl ether.

לאחר הסרת הפאזה המימית, העבירו את הפאזה האורגנית לבקבוק תחתית עגולה בנפח 500 milliliter ויבשו אותה בעזרת מגנזיום סולפט. לאחר סינון, הסִירו את הממס ב-vao.

בסיום התהליך, זיקקו את ה-hema תחת לחץ מופחת. הכינו תמיסת מתנול 0.62 מולרית של Hema ללא מעכב על ידי הוספת 2.3 milliliters של Hema ל-27.7 milliliters של מתנול בבקבוק בעל פיה אחת. לאחר כיסוי הבקבוק בספטום, הסִירו את החמצן על ידי הבעבעה של Argonne דרך התמיסה למשך שעה אחת.

בשלב הבא, מקמו שתי ממברנות פוליקרבונט אחת לצד השני בתא הפלזמה. כאשר הצד המבריק של כל ממברנה פונה לעבר פאזת הגז, חברו את תא הפלזמה לוואקום גבוה למשך חמש דקות. לאחר סגירת שסתום הוואקום, פתחו את השסתום המחובר לגזי ארגון וחמצן כדי לנקות את התא באמצעות תערובת זו למשך שעתיים, עם 15 SCCM ארגון ו-2.5 SCCM חמצן.

הפעל את הפלסמה והפחת את ההספק ל-12 watts עבור ממברנות הפוליקרבונט. לאחר מכן, טפל בממברנות באמצעות הפלסמה למשך ארבע דקות; כבה תחילה את הפלסמה ורוקן את התא על ידי סגירת השסתום המחובר לתערובת הגזים ולאחר מכן סגירת השסתום המחובר למשאבת השמן. בשלב הבא, חבר את תמיסת המונומר לתא.

חברו את תמיסת המonomer לתא על ידי פתיחת השסתום המתאים ומזגו את התמיסה לתוך התא. לאחר שווידאתם שהממברנות מכוסות בתמיסת ה-monomer, פתחו את השסתום המחובר לגז argon ואחסנו את תערובת התגובה למשך 12 שעות בטמפרטורת החדר. לאחר הסרת תמיסת ה-monomer, שטפו את הממברנות עם 100 milliliters של methanol באמבט אולטרסוני למשך חמש דקות.

עם סיום הפעולה, חזור על הליך השטיפה עם 100 milliliters של מים. לאחר מכן, ייבש את הממברנה בוואקום מעל סופחי מולקולריים למשך שעתיים, והמס 100 milligrams של תרכובת Spiro benzoin 1, 55 milligrams של nn cylo heyl carbo diamine, ו-33 milligrams של four dimethyl am pyridine ב-12 milliliters של turt butyl methyl ether. לאחר מכן, הכנס מקל ערבוב ורשת הגנה לבקבוק תחתית עגולה.

לאחר סגירת הבקבוק וייבושו, מלאו אותו בגז ארגון. שפכו את תמיסת ה-spiro benzo pyran אל תוך הבקבוק, ולאחריה את הממברנה המצופה. לאחר מכן, ערבבו בעדינות את התערובת בטמפרטורת החדר למשך 12 שעות.

לאחר מכן, הוצא את הממברנה מהבקבוק ושטוף אותה ב-50 milliliters של turt beetle, methyl ether באמבט אולטרסוני למשך חמש דקות. לאחר חזרה על הליך השטיפה עם 100 milliliters של אתנול ומים, ייבש את הממברנה ב-vao מעל molecular thieves למשך שעתיים. בשלב זה, הנח את הממברנה על בד מחוספס.

הנח טיפה של מים מזוקקים (nano pure water) על פני השטח של הממברנה. לאחר מכן, מדוד את זווית המגע בחמש נקודות שונות של הממברנה כדי לבחון את היציבות לטווח ארוך של הדגימות. מדוד את זוויות המגע בשלוש נקודות שונות של הממברנות לאחר 0, 1, 2, 3, 7, 14 ו-21 ימים.

בשלב הבא, מלאו את תא הקולט של תא דיפוזיית פרנץ (Franz diffusion cell) ב-12 milliliters של מים. קבעו את הממברנה בתוך תא דיפוזיית הפרנץ תוך הבטחה שהיא נמצאת במגע עם המים בתא הקולט. מלאו את תא התורם, או התא שמעל הממברנה, ב-3.0 milliliters של תמיסת קפאין מימית בריכוז 20 millimolar.

הקרינו את הממברנה מהחלק העליון של תא התור באמצעות אור לבן. בסיום, אספו דגימות של 200 µL מתא הקולט. חזרו על הניסוי כפי שתואר קודם לכן, אך הקרינו את הממברנה באור UV באורך גל של 366 nm ובעוצמה של 80 W/m² לאורך כל בדיקת החדירות.

כדי לקבוע את ריכוז הקפאין בדגימות שנאספו, יש להוסיף לעקומה של כיול עם 15 ריכוזי קפאין שונים, בין 0.05 millimolar per liter ל-1.5 millimolar per liter, באמצעות ספקטרומטר UV vis. לאחר מכן, קבע את הריכוז של כל אחת מהדגימות שנאספו באמצעות עקומת הכיול. לאחר מכן, שרטט את הריכוז שנקבע לעומת זמן איסוף הדגימות.

בצעו התאמה ליניארית דרך הנקודות וקבעו את delta C מתוך השיפוע. כפי שניתן לראות כאן, קצבי השוליים עבור ממбраנות פוליאסטר, פוליויניל, אמין, פלואוריד ופוליקרבונט הם ליניאריים, וניתן לקבע אותם מתוך השיפוע של המתאם הליניארי בין זמן ה-ET לבין אובדן המסה. ממбраנות הפוליקרבונט מראות את קצב השוליים הנמוך ביותר מבין שלוש ממברנות הפולימר.

זווית המגע של טיפת מים משתנה כאשר קולטני פוליקרבונט נקבוביים מצופים ב-poly hema באמצעות פולימריזציה מושרית פלזמה. ההבדל בזווית המגע בין הקולטנים ללא הציפוי לבין קולטנים המושתלים ב-poly hema בעלי נקבים בקוטר של 0.2 micrometers ו-one micrometer מוצג כאן. ניתן לראות בבירור שזווית המגע של קולטן פוליקרבונט מצופה ב-poly hema אינה משתנה לאורך זמן, מה שמעיד על ציפוי יציב לטווח ארוך.

המודיפיקציה הפוסט-סינתטית באמצעות תרכובת spiro benzo pyran אחת מעלה את זווית המגע ל-100 מעלות. עם זאת, ניתן להמיר spiro benzo pyran למין merocyanine פולרי יותר על ידי חשיפה לאור UV, וטרנספורמציה זו מפחיתה את זווית המגע של פני השטח של הממברנה ל-90 מעלות. חדירות הממברנות נמדדת באמצעות תא דיפוזיה מסוג French diffusion cell.

ההתנגדות לשינוי במעבר (permeability) פוחתת ב-97% כאשר הממברנה מוארת באור לבן, מה שמעיד על קיומה של תגובה של הממברנה לאור. לאחר רכישת המיומנות, ניתן לבצע טכניקה זו תוך שעות, במידה שהיא מבוצעת כראוי. בעקבות הליך זה, ניתן להוסיף פונקציונליזציה נוספת לפני השטח, כגון ציפויים המגיבים לטמפרטורה או ל-pH. לאחר צפייה בסרטון זה, תהיה לכם הבנה טובה של אופן ייצור ציפויים המגיבים לאור בהשראת פלזמה.

ממברנות המגיבות לאור הן מערכת מעניינת לחקר תכונות פוטו-אומיות, כגון החלפת צבע תחת קרינת UV ואור לבן, או קצב הדהייה של המצב הצבעוני. כדי לשלוט בחדירות הממברנות במהלך שלב הפולימריזציה, חשוב לעבוד באטמוספירה פנימית. זכרו כי עבודה עם אלקטרודות במתח גבוה עלולה להיות מסוכנת ביותר, ויש להקפיד תמיד על אמצעי זהירות, כגון מגן הגנה ביניכם לבין תא הפלסמה, בעת ביצוע הליך זה.