Articolo metodologico

Preparazione e attrito Forza Microscopia Misure di Immiscibile, Opposing Pennelli Polymer

DOI:

10.3791/52285

⸱

24 dicembre 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

In questo articolo

Sommario

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

Viene presentata la metodologia per eseguire esperimenti di microscopia a forza di attrito per spazzole a contatto: due spazzole polimeriche che vengono innestate da (a) substrati e (b) sonde colloidali vengono fatte scorrere per dimostrare che, utilizzando due sistemi di spazzole immiscibili a contatto, l'attrito nei contatti striscianti è ridotto rispetto ai sistemi a spazzole miscibili.

Abstract

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

Spazzole polimeriche solvatato sono ben noti per lubrificare contatti ad alta pressione, perché possono sostenere un carico normale positiva mantenendo basso attrito all'interfaccia. Tuttavia, questi sistemi possono essere sensibili ad usura per interdigitation delle spazzole opposte. In una recente pubblicazione, abbiamo dimostrato tramite simulazioni di dinamica molecolare ed esperimenti vigore microscopia atomici, che utilizza un sistema di spazzole polimero immiscibile chiude il substrato e le superfici di scorrimento, rispettivamente, può eliminare tale interdigitation. Di conseguenza, l'usura nei contatti viene ridotta. Inoltre, la forza di attrito è di due ordini di grandezza inferiore rispetto ai sistemi tradizionali spazzole polimeriche miscibile. Questo sistema appena proposto tiene quindi un grande potenziale per l'applicazione nel settore industriale. Qui, la metodologia di costruire un sistema di spazzole polimero immiscibile di due diverse spazzole ciascuno solvatate dal proprio solvente preferito è presentato. La procedura come innestare poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) da una superficie piana e poli (metilmetacrilato) (PMMA) da un microscopio a forza atomica (AFM) sonda colloidale è descritto. PNIPAM è solvatato in acqua e PMMA in acetofenone. Via forza di attrito misure AFM, è dimostrato che l'attrito per questo sistema è effettivamente ridotto di due ordini di grandezza rispetto al sistema di PMMA miscibile in PMMA solvato di acetofenone.

Introduzione

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

Perfetto lubrificanti riducono l'attrito e l'usura per i solidi in moto relativo, anche quando i carichi normali sono alti. Per ottenere questo, il lubrificante deve rimanere in contatto durante scorrevole ea riposo. Tuttavia, sotto un carico normale positiva, semplici, liquidi a bassa viscosità sono rapidamente spremuto fuori della zona di contatto e oli anche maggiore viscosità vengono espulsi casualmente. Tuttavia, contatti biologiche, ad esempio, in articolazioni umane, rimangono lubrificati con fluidi a bassa viscosità in ogni momento. Natura realizza tale lubrificazione efficace utilizzando catene di zuccheri collegati a superfici solide 1. Le catene di zuccheri idrofile mantenere un liquido acquoso in contatto condizione che la pressione normale non superi la pressione osmotica del solvente 2. Pertanto, un grande sforzo è stato diretto verso imitando lubrificanti biologici da polimeri a superfici solide che formano i cosiddetti pennelli polimero 3-12 innesto.

Quando due polimero avversariospazzole vengono portati a contatto, i segmenti delle catene polimeriche da un lato possono muoversi nei segmenti della catena spazzola sul lato opposto. Questo effetto è chiamato interdigitation 13. Quando le spazzole sono in movimento di scorrimento relativo, interdigitation è la principale fonte di usura e di attrito 14 15-17. Infatti, recentemente, i rapporti attrito velocità di scorrimento spazzole polimeriche sono stati derivati ​​18. Queste leggi di scala sono basate sul interdigitation e la conseguente stiramento e curvatura dei polimeri sopra scorrevole. Le caratteristiche principali sono d'accordo con i risultati di superficie forze apparecchi esperimenti 19 e di dinamica molecolare (MD) simulazioni 20. In quest'ultimo il grado di sovrapposizione può essere quantificato direttamente. Inoltre, è stato dimostrato che la sovrapposizione tra le spazzole polielettroliti può essere regolato applicando un campo elettrico 21. Quindi, se interdigitation può essere aggirata, l'attrito e l'usura in questi sistemi sarebbe significanTLY ridotta.

In una recente pubblicazione 22 abbiamo dimostrato tramite simulazioni MD che due sistemi spazzole polimero immiscibili solvatate impediscono sovrapposizione tra le spazzole. Inoltre, su scorrevoli le spazzole, abbiamo trovato una diminuzione della forza di attrito di due ordini di grandezza rispetto ai tradizionali sistemi di spazzole miscibili, in eccellente accordo con la microscopia a forza atomica (AFM) misurazioni. Qui spieghiamo in dettaglio come impostare gli esperimenti AFM di Ref. 22. Il principio di base è schematizzato in Figura 1. Sui due contro-superfici, due spazzole differenti, ciascuna solvato dal proprio solvente preferito, sono necessari. In questa configurazione ogni spazzola rimane nel suo solvente. Di conseguenza, i segmenti polimerici da una spazzola non penetrano l'altra spazzola. Poly (metilmetacrilato) (PMMA) è innestato da una sonda colloidale AFM e la spazzola è solvatato da acetofenone. Dal poli superficie piana (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) si innesta e solvatato in acqua. Per confrontare il sistema attuale di sistemi miscelabili tradizionali, un secondo appartamento piano di contrasto che porta un pennello PMMA solvatato in acetofenone è fatto. La forza di attrito di scorrimento misurata sul sistema immiscibile di PMMA su PNIPAM è di circa 1% di attrito per il sistema di PMMA miscibile in PMMA. Si noti che l'utilizzo di questi particolari sistemi di spazzole è solo un esempio. Il metodo proposto è generico e funziona grazie alla assorbanza preferita dei solventi nei diversi pennelli. Pertanto, più tipi di spazzole dovrebbero essere applicabili, purché i solventi scelti de-mix nei due spazzole. L'effetto viene amplificato utilizzando due solventi non-miscelazione (come acetofenone e acqua) tale che viene creato un fluido-on-liquido-scorrevole sdrucciolevole supplementare interfaccia 22,23.

Protocollo

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

NOTA: Figura 2 illustra la procedura di preparazione del campione. Spazzole polimeriche sono stati innestati tra silicio (Si) substrati (path (a)), da substrati oro rivestite (100 nm oro evaporato su Si wafer avente a 10 nm strato di Cr adesione path (b)), e dalle sonde AFM colloidali oro (6 micron di diametro, percorso (c)) di superficie avviato atomo di trasferimento polimerizzazione radicale (SI-ATRP) 24. Le misurazioni AFM state effettuate su un multimode AFM con la testa a basso rumore, verticale impegnano scanner e una cella liquido.

Preparazione 1. Campione

  1. Preparazione del supporto
    1. Iniziatore deposizione su superfici di silicio.
      1. Pulire i substrati di silicio con il cloroformio, poi la soluzione piranha, poi sciacquare con acqua purificata, etanolo e cloroformio.
      2. Posizionare i supporti asciutti in un essiccatore intorno a un flacone contenente 50 ml (3-amminopropil) trietossisilano.
      3. Evacuare l'arguzia essiccatoreha Pompa rotativa per 15 minuti e chiuderlo in seguito. Lasciare che la deposizione di vapore di procedere O / N.
      4. Preparare una soluzione di 40 ml di toluene (degassificata) e 40 microlitri trietilammina in una beuta.
      5. Posizionare i substrati nel pallone e aggiungere goccia a goccia 40 ml 2-bromo-2-metilpropionil. Mantenere i substrati nella soluzione, per evitare la deposizione di cristalli di sale formate in soluzione.
      6. Mescolare la soluzione per 4 ore.
      7. Risciacquare le substrati con toluene ed etanolo. Successivamente, posizionare i substrati nelle fiale di polimerizzazione.
    2. Iniziatore deposizione su superfici d'oro
      1. Preparare una soluzione monostrato: sciogliere l'acido 2-bromo-2-metil-propionico 11- [11- (2-bromo-2-metil-propionilossi) -undecyldisulfanyl] -undecyl estere in 20 ml di cloroformio degasato (0,2 mM).
      2. Trasferimento ca. 1,5 ml di soluzione monostrato in una piccola fiala precedentemente lavata con Argon.
      3. Pulire i substrati d'oro rivestite con cloroformio esoluzione piranha. Successivamente risciacquare con acqua purificata, etanolo e cloroformio.
      4. Immergere i substrati puliti nel monostrato-soluzione e chiudere il pallone. Conservare O / N in un luogo buio.
      5. Pulire le sonde oro colloidale con etanolo e cloroformio immergendoli nei solventi.
      6. Immergere le sonde colloidali nel flaconcino contenente la soluzione monostrato. Chiudere saldamente e conservarlo in un luogo scuro O / N.
      7. Rimuovere i substrati dalla soluzione, lavare con cloroformio e etanolo. Successivamente, trasferire i substrati rivestiti iniziatore nel pallone polimerizzazione.
      8. Rimuovere le sonde colloidali dalla soluzione monostrato, lavare con cloroformio e etanolo. Avanti, trasferire ogni sonda separatamente nel flaconcino di polimerizzazione.
  2. Polimerizzazione
    1. SI-ATRP di PMMA
      1. Eliminare il pallone e fiale, contenente i substrati iniziatore coperte (sia Si e oro) e le sonde colloidali con Argon per 30 min.
      2. Sciogliere 10 g di metilmetacrilato (MMA) nel mezzo ATRP (10 ml di metanolo miscela / acqua con rapporto 5: 1) e degassare la soluzione per 2 ore.
      3. Aggiungere 145 mg e 320 mg CuBr 2,2-bipiridina in un pallone munito di ancoretta magnetica, e deoxygenize da 3 cicli di recupero informazioni vuoto-Ar.
      4. Trasferire la soluzione monomero degasata nel pallone (contenente il rame) e mescolare per altri 15 minuti fino a quando si osserva una chiara soluzione marrone.
      5. Attaccare un ago per una siringa 2 ml e lavare l'ago e la siringa con argon 2-3 volte.
      6. Prelevare polimerizzazione in soluzione 1 ml con la siringa e iniettare il contenuto nel piccolo flaconcino di reazione, contenente la sonda colloide.
      7. Prelevare la soluzione rimanente con la siringa e iniettare il contenuto nel flacone di reazione, contenente le superfici piane. Aggiungere la soluzione sufficiente per sommergere completamente ogni campione.
      8. Effettuare la polimerizzazione per 40 ore a temperatura ambiente.
      9. Respostare i campioni dalla soluzione di polimerizzazione e lavare con etanolo e cloroformio in più cicli. La colorazione del campione indica la presenza del pennello.
      10. Infine, asciugare i substrati in corrente di azoto.
      11. Tenere superfici piane in una scatola di azoto. Conservare pennello polimero modificato sonde in toluene.
    2. SI-ATRP di PNIPAM 10
      1. Eliminare la beuta e fiale, contenenti i substrati iniziatore coperte (sia Si e oro) e le sonde colloide con argon per 30 min.
      2. Sciogliere 5,6 g -isopropylacrylamide N e 320 microlitri PMDETA nel medio ATRP (1,6 ml di acqua e 18 ml di metanolo) e degassare la soluzione per 2 ore.
      3. Aggiungere 76 mg CuBr in un pallone munito di un agitatore magnetico, e deoxygenize da 3 cicli di recupero informazioni di vuoto-Ar.
      4. Trasferire la soluzione degasata monomero nel pallone che contiene rame. Mescolare per altri 15 minuti fino a quando si osserva una soluzione verde chiaro.
      5. Attaccare un ago per una siringa 2 ml e lavare l'ago e la siringa con argon 2-3 volte.
      6. Prelevare polimerizzazione in soluzione 1 ml con la siringa e iniettare il contenuto nel piccolo flaconcino di reazione, contenente la sonda colloide. Ripetere l'operazione per tutte le sonde.
      7. Prelevare la soluzione rimanente con la siringa e iniettare il contenuto nel pallone di reazione, contenente le superfici piane. Aggiungere la soluzione sufficiente per sommergere completamente ogni campione.
      8. Effettuare la polimerizzazione per 2 ore a temperatura ambiente.
      9. Rimuovere i campioni dalla soluzione di polimerizzazione e lavare con etanolo e acqua attraverso cicli multipli. Il colore apparente del campione indica la presenza del pennello.
      10. Immergere il campione in soluzione 0,1 M EDTA e tenerlo nella soluzione O / N per rimuovere tutto il rame. Lavare con acqua purificata ed etanolo.
      11. Tenere le superfici piane in una scatola di azoto. Conservare il pennello PNIPAM sonde modificati in acqua purificata.
  3. Caratterizzazione Brush, Fourier Transform Infrared (Figura 3)
    NOTA: L'uso di pascolo-angle modalità FTIR per i pennelli di polimero su substrato di oro e trasmissione modalità FTIR per i pennelli di polimero su substrato di Si. Asciugare con cura tutti i campioni. Qualsiasi contaminazione dell'acqua e del solvente possono causare gravi danni del rivelatore.
    1. Avviare l'apparecchio secondo il manuale fornito dal produttore.
    2. Impostare i seguenti parametri per la misurazione del campione: compreso tra 900 e 3.700 centimetri -1 con una risoluzione di 4 cm -1 e media di 32 scansioni di ogni misurazione.
    3. Pulire un substrato vuoto secondo il protocollo utilizzato per la preparazione del campione, asciugare attentamente e posizionarlo nella camera di misura.
    4. Applicare il vuoto per 4 ore. Avanti, registrare una scansione in background.
    5. Rimuovere il campione in bianco e posizionare la spazzola polimerica campione rivestito a secco nella camera del campione.
    6. Applicare il vuoto nel sample da camera e registrare un campione di scansione ogni 30 minuti per 5 ore.
    7. Identificare tutti i picchi negli spettri di confermare composizione chimica della spazzola polimerica. (Analizzare le scansioni con una linea di base retta solo.)

2. AFM misura

  1. Scratch il supporto rivestito spazzola PMMA accuratamente con un ago, lavare con un buon solvente per rimuovere l'eccesso di polimero e asciugarlo.
  2. Montare i campioni nello strumento AFM e montare la sonda nella cella liquido.
  3. Allineare il laser sull'estremità del cantilever.
  4. Con l'uso della fotocamera, allineare la punta sopra un graffio.
  5. Prima di avvicinarsi e di inserire la punta, impostare il formato di scansione 0 nm. Successivamente, coinvolgere la punta alla superficie.
  6. Vai a 'modo di rampa' e determinare la sensibilità deflessione tramite curve forza distanza. Calibrare la costante della molla normale utilizzando la 'melodia termico' come implementata nel software e molla di torsione costante of cantilever utilizzando il metodo di Wagner et al. 25
    1. Cattura il rumore termico torsionale del cantilever in aria per 2 sec usando l'acquisizione dati ad alta velocità nel software (6,25 MHz).
    2. Convertire il rumore termico nella densità spettrale di potenza (V 2 / Hz) utilizzando la trasformata di Fourier.
    3. Determinare la risonanza fondamentale e il fattore di qualità del cantilever in aria utilizzando il picco di risonanza nella densità spettrale di potenza e l'equazione per un oscillatore armonico semplice incluso il rumore basale (eq. 2 Rif. 25).
    4. Calcolare la costante della molla di torsione utilizzando le dimensioni inplane del cantilever (lunghezza e larghezza), la densità e viscosità del mezzo circostante (aria) e il fattore di qualità e la frequenza di risonanza determinati nella fase 2.6.3 utilizzando il metodo di Sader 26.
      NOTA: Abbiamo usato lo strumento fornito sul sito di Giovanni Sader: www.ampc.ms.unimelb.edu.au/afm/calibration.html.
    5. Calculate il torsionale sensibilità angolo di deflessione del cantilever con eq. 6 e 7 della Ref. 25.
    6. Convertire la costante della molla di torsione e flessione sensibilità nella costante della molla e la deformazione laterale sensibilità utilizzando la dimensione del colloide, lo spessore della mensola e eq. 8 di Ref. 25.
      NOTA: il segnale rilevatore può essere convertita in una forza via: forza [N] = molla laterale costante [N / m] * sensibilità deviazione laterale [m / V] * segnale del rivelatore [V].
  7. Misurare l'altezza della spazzola del pennello asciutto per l'imaging del pennello ad un graffio al più basso possibile setpoint deviazione. Determinare l'altezza della spazzola dalle linee-scansioni dell'immagine catturata.
  8. Solvato la spazzola in acetofenone applicando delicatamente la superficie con una siringa.
    NOTA: Il colore dei cambiamenti del campione come il solvente evapora. Questo permette a seguito del processo di essiccazione.
  9. Montare il campione al AFM. Allineare il segnale laser verticale-1.0 V. Impostare il setpoint deflessione di 0 V e coinvolgere il cantilever e la superficie.
    NOTA: Dopo aver portato il cantilever in contatto con la superficie, l'acetofenone sposta nella spazzola sul colloide creare un ponte capillare tra la punta e la superficie.
  10. Impostare il formato di scansione di 40 micron, disattivare gli assi di scansione lenti e impostare un'immagine formato a 1: 4. Registrare l'altezza ei canali di immagine attrito (sia traccia e ritraccia).
  11. Quando le immagini vengono catturate ritirare il cantilever.
  12. Applicare una goccia di acqua sulla superficie pennello coperto PNIPAM, per solvatare il pennello PNIPAM.
  13. Sollevare la testa e sostituire rapidamente la superficie PMMA dalla superficie PNIPAM solvato per creare il sistema non miscibile. Essere rapido quando si scambiano le superfici, per evitare l'evaporazione del acetofenone dalla spazzola PMMA sulla sonda colloidale.
  14. Inserire la punta e la superficie, e registrare le immagini con gli stessi parametri come in precedenza.

Risultati

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

La figura 4 mostra rappresentativi forza AFM tracce su scorrevole sia il miscibile ei sistemi di spazzole polimero immiscibili. La forza di attrito F viene normalizzato mediante la forza di attrito allo stato stazionario di scorrimento F sym per il simmetrica, sistema miscibile. L'altezza spazzola gonfio in questi esperimenti è stato 1.010 nm per PMMA e 532 nm per PNIPAM. La forza tracce vengono acquisite dopo aver seguito la procedura descritta nella sezione protocollo. In questi esperimenti superficie è stato spostato avanti e indietro con una velocità v di 80 micron / sec mentre si applica un carico normale di 30 nN. La differenza di forza di attrito per il miscibile (pannello di sinistra) e immiscibili sistemi spazzole (pannello di destra) può osservare chiaramente. Il costante stato di forza di attrito nel pannello di sinistra è 90x più alto del costante stato di forza di attrito in pannello di destra. Per il sistema immiscibile misurata la forza di attrito è tipicamente 0,5-2% della forza di attrito f misuratao il sistema miscibile. Sebbene l'esatta riduzione dell'attrito dipende dalla densità innesto, grado di polimerizzazione, la quantità di solvente, e (debolmente) sul carico normale e la velocità di scorrimento, è sempre circa due ordini di grandezza. Se si aumenta la velocità di scorrimento per il sistema sopra descritto di un fattore 5 (a 400 micron / sec), la riduzione di attrito diminuisce del 2%. Se si aumenta il carico normale di un fattore 10 (a 300 nN), la riduzione di attrito diminuisce del 3%.

figure-results-1
Figura 1. disegno schematico della configurazione. Pannello sinistro mostra il sistema miscibile, dove gli stessi polimeri sono innestate dalla superficie e il colloide. Le spazzole sono solvatato in un liquido monofase. Il pannello destro mostra il sistema immiscibile di due diverse spazzole polimeriche. Ogni spazzola è solvatato nel suo liquido preferito. In tradizionalesistemi miscibili i polimeri delle spazzole opposte sovrappongono. Per il sistema immiscibile, spazzole opposte non interdigitarsi tale che l'attrito e l'usura durante lo scorrimento è ridotta.

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Figura 2. disegno schematico della procedura di preparazione del campione, come descritto nella sezione Protocolli. Da sinistra a destra mostra la procedura di preparazione spazzola via iniziatore deposizione e superficie avviato trasferimento atomo polimerizzazione radicalica (SI ATRP). Path (A) descrive le spazzole innestate dalle superfici di silicio, (B) spazzole innestate da superfici di silicio rivestito in oro e (C) spazzole innestate da colloidi d'oro su sonde microscopia a forza atomica. Clicca qui per vedere alversione Arger di questa figura.

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Figura 3. FTIR spettri del PMMA (blu) e PNIPAM (verde) spazzole su silicio (linee spesse) e oro (linee sottili). I dati sono stati presi da Suppl. Mat. di Ref. 22. numeri d'onda PMMA (cm - 1): 3,050-2,990 (CH vibrazioni di stretching), 1.730 C = O (doppio legame vibrazioni di stretching), 1.450 (CH 3 e CH 2 vibrazioni deformazione), 1,260-1,040 (COC legame semplice stiramento vibrazioni ), 880-960 (COC legame singolo vibrazioni deformazione). A 1.730 centimetri - 1 il caratteristico picco vibrazioni di stretching del gruppo = O C è evidente numeri d'onda PNIPAM (cm -1): 3.289 (NH simmetrici e vibrazioni di stretching asimmetrica), 3.078, 2.971, 2.933, 2.874 (asimmetrica e simmetrica CH stretching. vibrazioni in CH 2 -), 1.635 (C = O vibrazioni di stretching), 1.535 (amide II), deformazioni flessione 1.458 (CH asimmetriche), deformazioni flessione 1.386 (CH simmetrici), 1,366-1,170 (CN asimmetriche vibrazioni di stretching). A 1.635 e 1.535 centimetri - 1 i caratteristici picchi di vibrazione di stretching del gruppo ammidico sono evidenti.

figure-results-4
Figura 4. Averaged, filtrato e lisciato forza tracce sulla trascinando il miscibile (a sinistra) e (a destra) sistemi immiscibili (regolato dal Rif. ​​22). La superficie è spostato avanti e indietro da 40 micron a scansione-rate di 1 Hz e normale carico di 30 nN.

Discussione

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

I risultati presentati mostrano che l'attrito, per sistemi immiscibili di spazzole solvatate singolarmente, è fortemente ridotta rispetto ai sistemi tradizionali di miscibili due delle stesse spazzole solvatate. L'assorbanza preferito dei diversi solventi nei due spazzole impedisce le spazzole da interdigitate e di conseguenza una grande fonte di usura e dissipazione spazzola polimerica attrito viene eliminata. Il metodo proposto è dunque fondamentalmente diverso scivolamento idrofilo secco sulle spazzole idrofobiche, dove l'attrito sarà determinata dalle interazioni specifiche spazzola 27. In realtà, su taglio PMMA su PNIPAM (crollato altezza 166 nm), senza solventi, abbiamo scoperto che l'attrito era superiore del 50% rispetto ad asciugare PMMA in PMMA (crollato altezza 236 m).

Come già sottolineato in breve nelle note della sezione 'protocollo', ci sono un paio di punti cruciali che devono essere tenuti in considerazione durante l'esecuzionequeste particolari esperimenti: in primo luogo, acetofenone è una migliore solvente per PNIPAM dell'acqua. Pertanto, occorre prestare attenzione che acetofenone non entra il pennello PNIPAM bagnando il pennello PNIPAM con abbondante acqua. Poiché acetofenone e acqua non si mescolano, il acetofenone ora non entrare nel pennello PNIPAM. Ecco perché non abbiamo immergiamo il nostro sistema completamente in acetofenone, ma invece creato un capillare acetofenone per il sistema miscibile. Un altro motivo per l'immersione incompleta è che i risultati immersione completa in idrodinamica troppo forti, in modo tale che abbiamo misurato solo la resistenza Stokes sul colloide e cantilever. In secondo luogo, in esperimenti AFM costanti molla di torsione e normali sono accoppiati. Cantilever con costante elastica bassa normale avranno anche una costante della molla di torsione relativamente basso e viceversa. Questo limita il coefficiente di attrito minimo misurabile a> 10 -3. Pertanto, al fine di misurare la riduzione dell'attrito piena, l'attrito per le misSistema cible deve essere elevato. Questo è ottenuto utilizzando spazzole lunghe ad alta densità e una velocità relativamente elevata di taglio tipicamente 100 m / sec. Inoltre, il capillare tra le spazzole aumenta anche le forze di attrito. Abbiamo misurato il coefficiente di attrito più basso, per un sistema immiscibile 22, di μ = 0.003 sotto uno stress normale stimato di 200 kPa. Utilizzando le stesse condizioni sperimentali, abbiamo trovato che μ = 0,15 per il sistema miscibile.

Si noti che gli esperimenti sono stati eseguiti in un ambiente di laboratorio controllato e che le superfici utilizzate nell'industria non sono ideali come usato negli esperimenti presentati. La maggior parte delle superfici hanno una distribuzione non uniforme rugosità 28 e quindi molte asperità di diverse forme e dimensioni. Durante la collisione di due asperità pennello-cuscinetto, l'attrito è composto da diversi canali di dissipazione 29. Accanto a stato stazionario meccanismi di dissipazione, come interdigitalizione e flusso di solvente, ci saranno effetti isteretici a forma 30 a causa del tempo di rilassamento lento dei polimeri e solventi. Inoltre, i capillari sono formate e rotti. Nei sistemi spazzole miscibile tradizionalmente utilizzati, interdigitation transitoria 31 amplifica isteresi forma- e capillare. Con il sistema immiscibile qui presentato, interdigitation transitoria viene eliminato anche. Inoltre, capillare isteresi può essere aggirato mediante l'applicazione di due solventi immiscibili. Pertanto, anche per il superfici ruvide più comune, l'attrito e l'usura sarà ridotto utilizzando sistemi di spazzole immiscibile 22. La principale fonte di attrito che rimane è spazzola deformazione. Ancoraggio polimeri polyzwitterionic, che sono noti per la loro intrinseca basso attrito 32, su una delle superfici può minimizzare quest'ultimo. In tali sistemi la pressione osmotica del solvente è elevata risultante in poca deformazione spazzola sotto alti carichi normali.

Ilmetodo presentato dei sistemi di spazzole immiscibili può essere applicato in qualsiasi sistema in cui basso attrito è desiderabile. Le funzioni metodo ben sotto pressioni elevate. Tuttavia, occorre prestare attenzione che la temperatura è mantenuta intorno RT. Le temperature elevate danneggiano i polimeri, che causerà liquido flusso di contatto e conseguentemente elevato attrito. Esempi di potenziali applicazioni sono: siringhe, sistemi a pistoni, cuscinetti dell'asse e cerniere.

Dichiarazioni

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

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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

Ringraziamo M. Hempenius e E. Benetti per le discussioni fruttuose, Y. Yu un attento controllo della ricetta, M. Vlot per la progettazione immagine di figura 1, C. Padberg e K. Smit per il supporto tecnico. EK riconosce l'Organizzazione olandese per la ricerca scientifica (NWO, TOP di Grant 700.56.322, Macromolecole nanotecnologia con Stimolo Polymers Responsive) per il sostegno finanziario. SdB è stato sostenuto dalla Fondazione per la ricerca fondamentale sulla Materia (FOM), che è finanziato dalla Organizzazione olandese per la ricerca scientifica (NWO).

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Metacrilato di metileSigma-AldrichM55909 Monomero per sintesi di PMMA, pulito mediante pressatura attraverso una colonna basica di allumina
(3-amminopropil)trietossisilanoSigma-Aldrich440140monostrato di silano depositato in vapore
trietilamminaSigma-AldrichT0886Reagente per l'accoppiamento della porzione iniziatore ATRP.
2-bromo-2-metilpropionilSigma-Aldrich252271parte iniziatrice di ATRP.
tolueneBiosolve20150501Terreno di accoppiamento per ATRP porzione
CuBrSigma-Aldrich212865catalizzatore ATRP.
2,2′-BipyridylSigma-Aldrich14453Cu complexing ligando per ATRP di MMA
N,N′,N",N",N"-PentametildietilentriamminaSigma-Aldrich369497Cu complexing ligando per ATRP di acido acetico NIPAM
98-100%Merck8187551000Per la pulizia di CuBr.
Acido solforicoSigma-Aldrich320501Per la preparazione della soluzione Piranha
Perossido di idrogeno 33%Merck1.07210.1000Per la preparazione della soluzione Piranha
EtanoloMerck1.00983.1000Per la pulizia dei substrati.
Ossido di alluminio basico 60 MerckPer la pulizia dei monomeri.
CloroformioBiosolve3080501Per la deposizione di monostrato e la pulizia del substrato.
MetanoloBiosolve13680501Per mezzo di polimerizzazione.
AcetofenoneAcros Organicsper l'ambiente di misurazione AFM.
N-isopropil acrilammideAcros Organics412780250monomero per la sintesi di PNIPAM, ricristallizzato da toluene/esano
Poli(glicole etilenico) metacrilato...Sigma-Aldrich 409529monomero per la sintesi di Si-POEGMA, pulito mediante pressatura attraverso una colonna di allumina basica.
MilliQ acquaSistema di purificazione MilliQ Advantage A 10 Mezzo ATRP, ambiente di misura AFM e per la pulizia del substrato.
Substrati di silicio 
Substrati rivestiti d'oro Sonda
AFM, CP-FM-AUMisurazione
[header]ditiodiundecano-11,1-diybis[2-bromo-2-methlpropanoato] (DTPR)Iniziatore, per Si-ATRP su superfici d'oro.
Sintetizzato secondo Macromolecules, 33,
597-605 (2000).
Microscopio Frorce atomicoBruker Multimode V controller
102410010 AFM

Riferimenti

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

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