Name: ポリマーブラシに反対非混和性の調製と摩擦力顕微鏡の測定、 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-12-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 57 s
Description: 学ぶ ポリマーブラシの調製と摩擦力顕微鏡測定法。非混和性ブラシ系を用いて摩擦を約1%に低減する手法を習得し、材料科学やナノテクノロジーへの応用可能性を探る。

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私たちは、技術サポートについては、図1、C. PadbergとK·スミットのイメージデザインのためのM. HempeniusとE. Benettiの実りの議論のために、レシピを慎重にチェックのためのY.ゆう、M. Vlotに感謝。 EKは、金融支援のための科学研究費オランダ機構（NWO、TOPグラント700.56.322、刺激応答性ポリマーと高分子ナノテクノロジー）を認めている。 SDBは財政科学研究費オランダ機構（NWO）でサポートされている物質に関する基礎的研究のための財団（FOM）によってサポートされています。

注： 図2は、サンプル調製手順を示す。ポリマーブラシは、金被覆基材から（100nmの金を10nmのCr接着層を有するSiウェハ上で蒸発させ、経路（b）参照）、シリコン（Si）基板（パス（a）参照）からグラフト化、および金コロイドAFMプローブかられた（6μmの直径、パス（c）参照）表面によっては、原子移動ラジカル重合（SI-ATRP）24を開始した。 AFM測定は、垂直スキャナと液晶セルと係合する、低ノイズヘッドをマルチモードAFMで行った。 1.サンプルの調製<ol><li>基板準備<ol><li>シリコン表面上の開始剤の堆積。 <ol><li>クロロホルム、その後ピラニア溶液とシリコン基板を清掃し、その後に精製水、エタノール、クロロホルムですすいでください。 </li><li> 50μlの（3-アミノプロピル）トリエトキシシランを含むバイアルの周りにデシケーターに乾燥した基板を配置します。 </li><li>デシケーターのウィットから立ち退く15分間のHAロータリーポンプ、その後、それを閉じます。蒸着は、O / Nを進行させる。 </li><li>三角フラスコ中で40ミリリットルのトルエン（脱気）と40μlのトリエチルアミンの溶液を調製する。 </li><li>フラスコ内に基板を配置し、ドロップワイズ40μlの2-ブロモ-2-メチルプロを追加。溶液中に形成された塩の結晶の析出を回避するために、溶液中で基板を保持する。 </li><li> 4時間攪拌し溶解した。 </li><li>トルエンとエタノールで基板を洗浄します。次に、重合バイアルに基板を配置します。 </li></ol></li><li>金表面上の開始剤の堆積<ol><li>単層溶液を調製：20mLの2-ブロモ-2-メチルプロピオン酸11- [11-（2-ブロモ-2-メチルプロピオニル）-undecyldisulfanyl] - ウンデシルエステルを溶解し、クロロホルム（0.2ミリモル）を脱気した。 </li><li>転送約予めアルゴンでフラッシュした小バイアルに1.5ミリリットル単層ソリューション。 </li><li>クロロホルムで金コーティングされた基材をきれいにピラニア溶液。その後精製水、エタノール、クロロホルムですすいでください。 </li><li>単層溶液中に洗浄された基板を浸し、フラスコを閉じます。暗い場所に保管してO / N。 </li><li>溶剤にそれらを浸漬することにより、エタノール、クロロホルムで金コロイドプローブを清掃してください。 </li><li>単層溶液を含有するバイアル中に、コロイド状プローブを浸す。しっかりと閉め、冷暗所O / Nに保管してください。 </li><li>溶液から基板を外し、クロロホルムとエタノールで洗浄する。次に、重合フラスコに、開始剤コーティングされた基板を搬送。 </li><li>単層溶液からコロイドプローブを外し、クロロホルムとエタノールで洗浄する。次に、重合バイアルに個別に各プローブを転送する。 </li></ol></li></ol></li><li>重合<ol><li> PMMAのSI-ATRP <ol><li>イニシエータに覆われた基板（Siと金の両方）とArgとのコロイドプローブを含む、フラスコやバイアルをパージ30分間で。 </li><li> ATRP培地中の10gのメチルメタクリレート（MMA）を溶解（比率で10mlのメタノール/水混合物は、5：1）で2時間溶液を脱気。 </li><li>磁気攪拌棒を備えたフラスコに145mgののCuBrおよび320mgの2,2-ビピリジンを追加し、3真空アルゴン埋め戻しサイクルによってdeoxygenize。 </li><li> （銅を含有する）をフラスコに脱気したモノマー溶液を移し、透明な茶色の溶液が観察されるまでさらに15分間撹拌した。 </li><li> 2ミリリットルの注射器に針を取り付け、アルゴン2-3時間での注射針と注射器をフラッシュする。 </li><li>コロイドプローブを含む、シリンジを用いて1mlの重合溶液を撤回し、小さな反応バイアルにコンテンツを注入する。 </li><li>フラット基板を含む、注射器との残留溶液を撤回し、反応バイアルにコンテンツを注入する。完全に各サンプルを水没するのに十分な溶液を加える。 </li><li> RTで40時間重合を行っ。 </li><li>リ重合溶液からサンプルを移動し、複数のサイクルで、エタノール、クロロホルムで洗浄する。サンプルの着色がブラシの存在を示す。 </li><li>最後に、窒素気流下で基板を乾燥させる。 </li><li>窒素ボックス内でフラットな基板を保管してください。店舗ポリマーブラシをトルエンにプローブを修正。 </li></ol></li><li> PNIPAM 10のSI-ATRP <ol><li>開始剤で覆われた基板（シリコンと金の両方）と30分間アルゴンでコロイドプローブを含む、フラスコ、バイアルをパージする。 </li><li> 5.6グラムのN個の -isopropylacrylamideとATRP培地中の320μlのPMDETA（1.6ミリリットルの水と18ミリリットルのメタノール）を溶解し、2時間のためのソリューションを脱気。 </li><li>磁気攪拌棒を備えたフラスコに76 mgのCuBrをを追加し、3真空アルゴン埋め戻しサイクルによってdeoxygenize。 </li><li>銅を含むフラスコに脱気したモノマー溶液を転送します。透明な緑色の溶液が観察されるまでさらに15分間撹拌する。 </LI&gt; <li> 2ミリリットルの注射器に針を取り付け、アルゴン2-3時間での注射針と注射器をフラッシュする。 </li><li>コロイドプローブを含む、シリンジを用いて1mlの重合溶液を撤回し、小さな反応バイアルにコンテンツを注入する。すべてのプローブについて繰り返します。 </li><li>平坦な基板を含む、注射器残留溶液を撤回し、反応フラスコにコンテンツを注入する。完全に各サンプルを水没するのに十分な溶液を加える。 </li><li> RTで2時間重合を行う。 </li><li>重合溶液からサンプルを取り出し、複数のサイクルを経て、エタノールと水で洗浄する。サンプルの出現色は、ブラシの存在を示す。 </li><li> 0.1 M EDTA溶液に試料を浸し、すべての銅を除去するために溶液のO / Nに保管してください。精製水とエタノールで洗浄した。 </li><li>窒素ボックス内のフラット基板を保管してください。精製水にPNIPAMブラシ修正されたプローブを保管してください。 </li></ol></li></ol></li><li>ブラシ特徴付けは、フーリエ変換赤外（ 図3） 注：使用金基板とSi基板上のポリマーブラシのための伝送FTIRモード上のポリマーブラシのための斜角FTIRモード。慎重にすべてのサンプルを乾燥させます。でも水と溶媒汚染が検出器の重大な損傷を引き起こす可能性があります。 <ol><li>メーカーが提供するマニュアルに従って機器を起動します。 </li><li>サンプル測定のための以下のパラメータを設定します。900と3700センチメートル間の範囲-1各測定さ4cm -1と平均32スキャンの解像度で。 </li><li>試料調製のために使用されるプロトコルに従って、ブランク基板を洗浄注意深く乾燥し、測定チャンバにそれを置く。 </li><li> 4時間真空を適用します。次に、バックグラウンドスキャンを記録。 </li><li>ブランク試料を取り出し、試料室内の乾燥したポリマーブラシコーティングされたサンプルを置く。 </li><li> SAMPLで真空を適用しますE室と5時間サンプル·スキャンごとに30分を記録します。 </li><li>ポリマーブラシの化学組成を確認するために、スペクトルの全てのピークを特定します。 （唯一のストレートベースラインスキャンを分析します。） </li></ol></li></ol> 2. AFM測定<ol><li>ポリマーの過剰を削除し、それを乾燥させるために良好な溶媒で洗い流し、針で丁寧にPMMAブラシ覆われた基板を傷つける。 </li><li> AFM機器にサンプルをマウントし、液体セルにプローブをマウントします。 </li><li>カンチレバーの先端にレーザーの位置を合わせます。 </li><li>カメラを使用することで、スクラッチ上記の先端の位置を合わせます。 </li><li>近づいて、チップを係する前に、スキャンサイズ0程度に設定してください。次に、表面に先端に係合する。 </li><li> 「ランプモード」に移動し、力距離曲線を経由して偏向感度を決定する。ソフトウェアとねじりバネ定数Oで実装されている「熱チューン」を使用して、通常のバネ定数を校正Wagner らの方法を用いてカンチレバーfの25 <ol><li>ソフトウェア（6.25 MHz）の中での高速データ·キャプチャを使用して2秒間空気中のカンチレバーのねじれ熱雑音をキャプチャします。 </li><li>フーリエ変換を用いたパワースペクトル密度（V 2 / Hz）の中に熱雑音を変換する。 </li><li>基本共振とパワースペクトル密度およびベースラインノイズを含む単純な調和振動の方程式における共振ピークを用いて空気中のカンチレバーの品質係数を決定する（当文献2の図25）。 </li><li> Sader 26に記載の方法を用いて、ステップ2.6.3で決定カンチレバーの面内の寸法（長さおよび幅）、密度及び周囲媒質（空気）の粘性と品質係数と共振周波数を用いたねじりバネ定数を計算する。 注：www.ampc.ms.unimelb.edu.au/afm/calibration.html：私たちはヨハネSaderのウェブサイト上で提供するツールを使用していました。 </li><li>カルシウムEQを使用したカンチレバーのねじれ角の偏向感度をlculate。 6と、文献の7。 25。 </li><li>ねじりバネ定数と偏向感度は、コロイドの大きさ、カンチレバーと等量の厚さを使用して、横方向のバネ定数と偏向感度に変換。文献の8。 25。 注：信号は今経由で力に変換することができる検出器：力[N]横ばね定数[N / m]を= *横偏向感度[M / V] *検出器信号[V]。 </li></ol></li><li>可能な限り低い偏向セットポイントでのスクラッチでブラシを撮像することによってドライブラシのブラシの高さを測定します。撮影した画像のラインスキャンからブラシの高さを決定します。 </li><li>優しく注射器で表面にそれを適用することにより、アセトフェノンでブラシを溶媒和。 注：溶媒が蒸発するようにサンプルの色が変化する。これは、乾燥工程の後に可能にする。 </li><li> AFMにサンプルをマウントします。に垂直レーザー信号の位置を合わせ-1.0 V.は0 Vに偏向セットポイントを設定し、カンチレバーと表面と係合。 注：表面に接触してカンチレバーをもたらした後、アセトフェノンは、先端と表面との間の毛細管ブリッジを作成コロイドにブラシに移動。 </li><li> 、40μmのスキャンサイズを設定1に低速走査軸と設定された画像の縦横比を無効にします4。高さと摩擦画像チャネル（トレースとリトレース両方）を記録。 </li><li>画像が取り込まれている場合カンチレバーを撤回。 </li><li> PNIPAMブラシを溶媒和するために、PNIPAMブラシで覆われた表面上の水滴を適用します。 </li><li>頭を持ち上げ、すばやく混和しないシステムを作成するために溶媒和PNIPAM面でのPMMA表面を交換してください。コロイドプローブ上のPMMAブラシからアセトフェノンの蒸発を回避するために、表面を交換する際に迅速で​​ある。 </li><li>以前と同じパラメータを使用してチップ表面、及び記録画像を係合する。 </li></ol>

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</ol>

著者らは開示するものは何もない。

示された結果は、摩擦が、個々に溶媒和ブラシの非混和性のシステムのために、強く同じ溶媒和のブラシのうちの2つの伝統的な混和性システムに比べて減少することを示している。 2つのブラシの異なる溶媒の好ましい吸光度は、指状のブラシを防止し、ポリマーブラシの摩擦摩耗および散逸の結果として、主な供給源は排除される。提示された方法は、したがって、摩擦、ブラシ的相互作用27によって決定される疎水性のブラシで乾燥親水スライディングとは根本的に異なる。実際には、溶媒を用いずにPNIPAM（崩壊高さ166 nm）の上にPMMAをせん断すると、私たちは摩擦がPMMA上で乾燥したPMMA（崩壊した高さ236メートル）に比べて50％高いことがわかった。 すでに &#39;プロトコル」セクションの注記にすぐに指摘したように、実行している間に留意する必要がある重要な点がいくつかありますこれらの特定の実験：第一に、アセトフェノンが水よりPNIPAMのためのより良い溶媒である。このように、注意がアセトフェノンは、多量の水でPNIPAMブラシを濡らすことでPNIPAMブラシに入らないように注意してください。アセトフェノンと水が混合しないので、アセトフェノンは現在、PNIPAMブラシを入力することはありません。それは我々がアセトフェノンで完全に我々のシステムを浸すのではなく、混和システムのアセトフェノンキャピラリーを作成しなかった理由である。不完全浸漬するもう1つの理由は、我々は唯一のコロイドとカンチレバー上のストークス抵抗を測定したように強すぎる流体力学における完全な浸漬の結果、ということです。第二に、AFM実験においてねじれ、通常のばね定数は、結合されている。低い通常のばね定数を有するカンチレバーはまた、比較的低いねじりバネ定数、およびその逆を有することになる。これは最低の測定可能な摩擦係数&gt; 10 -3に制限されます。したがって、完全な摩擦低減、誤摩擦を測定するためにcibleシステムを高くする必要がある。これは、長い高密度ブラシ、典型的には100メートル/秒の比較的高い剪断速度を使用することによって達成される。また、ブラシ間の毛管も、摩擦力が増加します。私たちは、200キロパスカルの推定通常のストレス下でμ= 0.003、混和しないシステム22のために、最も低い摩擦係数を測定した。同じ実験条件を使用して、我々は、μことを見出し= 0.15混和性システムのため。 実験は、制御された実験室環境で実施されたことを、業界で使用される表面が提示した実験で使用されるような理想的ではないことに注意してください。ほとんどの表面は、不均一な粗さ分布28と異なる形状およびサイズの、したがって多くの凹凸を有している。 2ブラシの軸受凹凸の衝突時には、摩擦が異なる散逸チャンネル29から構成されている。次のようなinterdigitaとして定常損失メカニズムにると溶媒の流れは、原因ポリマーおよび溶媒の遅い緩和時間に形状30でヒステリシス効果があるでしょう。また、毛細血管が形成され、破壊される。伝統的に使用される混和ブラ ​​シシステムでは、過渡嵌合31 shape-毛細管ヒステリシスを増幅する。ここで紹介する混和しないシステムでは、一過性の相互嵌合があまりにも解消される。また、毛細管ヒステリシスは、2つの非混和性溶媒を適用することによって回避することができる。そのため、また、より一般的な粗面のため、摩擦や摩耗が混和しないブラシシステム22を用いて還元されます。残る摩擦の主な情報源は、ブラシの変形である。一方の面上に、その固有の低摩擦32のために知られているポリ双性イオンポリマーは、アンカーは、後者を最小限に抑えることができる。このようなシステムでは、溶媒の浸透圧が高く、通常の負荷の下で小さなブラシ変形が高い結果として生じるある。 ザ·非混和ブラシシステムの提示される方法は、低摩擦が望ましいほとんど任意のシステムに適用することができる。よく高圧下メソッド関数。しかし、ケアは、温度がRTの周りに保つように注意してください。高温は接触し、その結果、高摩擦から液体フローが発生しますポリマーを、損傷する。潜在的なアプリケーションの例としては、注射器、ピストンシステム、アクスルベアリングやヒンジ。

パーフェクト潤滑剤は、摩擦を低減し、通常の負荷が高い場合であっても、相対運動中の固形物のために着用してください。これを達成するために、潤滑剤が摺動時安静に接触したままであるべきである。しかし、正の通常の負荷の下で、シンプルで低粘度の液体を迅速に接触領域から絞り出され、より高い粘度の油は、最終的に排出される。しかし、生物学的な接点は、 例えば、ヒトの関節に、すべての回で、低粘度流体で潤滑残る。自然は、固体表面1に結合した糖鎖を用いて、このような効率的な潤滑を実現している。親水性の糖鎖が、常圧で溶剤2の浸透圧を超えないように設けられたコンタクトに水性液を保持する。したがって、多くの努力は、いわゆるポリマーブラシ3-12を形成する固体の表面にポリマーをグラフトすることによって、生物学的な潤滑剤を模倣することに向けられている。 2は、ポリマーに反対するとブラシを接触させ、一方の側にポリマー鎖のセグメントは、反対側のブラシ鎖セグメントに移動することができる。この効果は、相互嵌合13と呼ばれている。ブラシが相対摺動しているとき、嵌合摩耗14と摩擦15-17の主な源である。実際、最近、ポリマーブラシをスライドさせるための摩擦速度関係18を導出した。これらのスケーリングの法律は相互嵌合に基づいており、その結果として、スライド上にストレッチとポリマーの曲げ。主な特徴は、表面力の結果装置実験19と分子動力学の（MD）シミュレーションを20に同意。後者の重なりの程度を直接定量することができる。また、高分子電解質ブラシとの間の重なりが電場21を印加することによって調整することができることが示された。相互嵌合はこれらのシステムにおいて、摩擦を回避し、着用することができれば、significanであろうTLY減少。 最近の刊行物22で、我々は、2つの非混和性溶媒和ポリマーブラシシステムは、ブラシ間の重複を防ぐMDシミュレーションを介して示されている。また、ブラシをスライドすると、私たちは、原子間力顕微鏡（AFM）測定とよく一致で、伝統的な混和ブラシシステムに比べて2桁の摩擦力の低下を発見した。ここでは、文献[のAFM実験をセットアップする方法を詳細に説明します。 22.基本的な原理は、 図1に描かれている。2つの逆面、二つの異なるブラシ、自分の好ましい溶媒による溶媒和それぞれに、必要とされている。この構成では、各ブラシは、独自の溶媒中に残っている。その結果、1ブラシからのポリマーセグメントは、他のブラシに浸透しません。ポリ（メチルメタクリレート）（PMMA）はAFMコロイドプローブからグラフトされるとブラシアセトフェノンによって溶媒和される。平らな表面ポリ（N -isopropylacrylamideから）（PNIPAM）がグラフトされた水に溶媒和されている。伝統的な混和性システムに本発明のシステムを比較するために、アセトフェノン中に溶媒和PMMAブラシを有する第2の平坦対向面が形成されている。 PNIPAMにPMMAの非混和性システムの摺動時に測定された摩擦力は、PMMA上のPMMAの混和性のシステムのための摩擦の約1％である。これらの特定のブラシシステムの利用は一例であることに注意してください。提示方法が一般的であり、異なるブラシで溶媒の好ましい吸光度に起因する動作します。従って、ブラシ種類以上であれば2つのブラシで選択された溶剤脱混合物として、適用可能であると予想される。効果は、余分な滑りやすい流体対流体の摺動界面22,23が作成されるように、（アセトフェノン及び水のような）は、2つの非混合溶媒を用いて増幅される。

<table><tbody><tr><td>メタクリル酸メチル</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M55909&nbsp;</td><td>PMMA合成用モノマー、塩基性アルミナカラムをプレスして洗浄</td></tr><tr><td>(3-アミノプロピル)トリエトキシシラン</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>440140</td><td>蒸気堆積シラン単層</td></tr><tr><td>トリエチルアミン</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>T0886</td><td>ATRP開始剤部分結合用試薬。</td></tr><tr><td>2-ブロモ-2-メチルプロピオニル</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>252271</td><td>ATRP開始剤部分</td></tr><tr><td>toluene</td><td>Biosolve 20150501</td><td></td><td>ATRP触媒CuBr</td></tr><tr><td></td><td>Sigma-Aldrich</td><td>212865</td><td>ATRP触媒</td></tr>用カップリング媒体。<tr><td>2,2&prime;-Bipyridyl</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>14453</td><td>MMA</td></tr><tr><td>N,N,N&prime;,N",N",N",N"-Pentamethyldiethylenetriamine</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>369497</td> NIPAM酢酸98-100%Mer 8187551000 ckの<td>ATRP用Cu錯化配位子</td></tr>用<tr><td></td><td></td><td></td><td>CuBrの洗浄用。</td></tr><tr><td>硫酸</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>320501</td><td>ピラニア溶液の調製用</td></tr><tr><td>過酸化水素 33%</td><td>メルク</td><td>1.07210.1000</td><td>ピラニア溶液の調製用</td></tr><tr><td>エタノール</td><td>メルク</td><td>1.00983.1000</td><td>基板の洗浄用。</td></tr><tr><td>塩基性酸化アルミニウム60&nbsp;</td><td>メルク</td><td></td><td>モノマーの洗浄用。</td></tr><tr><td>クロロホルム</td><td>バイオソルブ</td><td>3080501</td><td>単層蒸着および基板洗浄用。</td></tr><tr><td>メタノール</td><td>バイオソルブ</td><td>13680501</td><td>重合媒体用。</td></tr><tr><td>アセトフェノン</td><td>アクロスオーガニックス 102410010</td><td></td><td>AFM測定環境用。</td></tr><tr><td>N-イソプロピルアクリルアミド</td><td>Acros Organics</td><td>412780250</td><td>トルエン/ヘキサンから再結晶したPNIPAM合成用モノマー</td></tr><tr><td>ポリ(エチレングリコール)メタクリレート&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>409529</td><td>Si-POEGMA合成用モノマーで、塩基性アルミナカラムをプレスして洗浄します。</td></tr><tr><td>MilliQウォーター</td><td>MilliQ Advantage A 10 精製システム&nbsp;</td><td></td><td>ATRP媒体、AFM測定環境、基板洗浄用。</td></tr><tr><td>シリコン基板&nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>金コーティング基板AFM</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>プローブ、CP-FM-Au</td><td>SQube</td><td></td><td>AFM測定</td></tr><tr><td colspan="4">[header]</td></tr><tr><td>ジチオジウンデカン-11,1-diyビス[2-ブロモ-2-メトルプロパノエート](DTPR)</td><td></td><td></td><td>開始剤、金表面上のSi-ATRP用 Macromolecules、33に従って合成されます。597-605(2000年)。</td></tr><tr><td>原子顕微鏡</td><td>Bruker Multimode Vコントローラー</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

ポリマーブラシに反対非混和性の調製と摩擦力顕微鏡の測定、

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

溶媒和されたポリマーブラシはよく界面に低摩擦を維持しながら、それらは正の垂直荷重に耐えることができるので、高圧接点を潤滑することが知られている。それにもかかわらず、これらのシステムにより、対向するブラシの嵌合に磨耗に対して敏感であることができる。最近の刊行物では、基板と、スライダ表面を終端する非混和性ポリマーブラシシステムを使用して、それぞれ、そのような相互嵌合をなくすことができ、分子動力学シミュレーション及び原子間力顕微鏡実験を介して示している。その結果、接点摩耗が低減される。また、摩擦力は、従来の混和性のポリマーブラシのシステムと比較して二桁低い。この新しく提案されたシステムは、したがって業界で使用するための大きな可能性を保持している。ここでは、それぞれ独自の好適な溶媒により溶媒和つの異なるブラシの非混和性ポリマーブラシシステムを構築する方法が提示される。 Pグラフトにする方法オリ平面とポリから（N -isopropylacrylamide）（PNIPAM）（メチルメタクリレート）（PMMA）、原子間力顕微鏡（AFM）のコロイドプローブが記載されている。 PNIPAMアセトフェノン水とPMMA中に溶媒和される。摩擦力のAFM測定を介して、それは、このシステムのフリクションが実際アセトフェノンに溶媒和PMMA上のPMMAの混和性システムに比べて2桁減少することが示されている。

図4に、混和し、混和しないポリマーブラシシステムの両方をスライドさせる際の代表的なAFM力トレースを示している。摩擦力Fは、対称、混和性のシステムのF sym はスライディング定常状態での摩擦力によって正規化される。これらの実験で膨潤ブラシの高さは、PMMAのための1010 nmおよびPNIPAMのために532であった。力トレースは、プロトコルセクションに記載された手順に従った後に捕獲される。 30 nNでの垂直荷重を印加しながら、これらの実験において、表面は、80ミクロン/秒の速度vで前後に移動させた。混和性（左パネル）用の摩擦力と不混和性（右パネル）のブラシシステムの差が明瞭に観察することができる。左側のパネルで、定常状態の摩擦力は、右のパネルで、定常状態の摩擦力よりも90X高い。不混和性のシステムについて測定された摩擦力が摩擦力を測定fは0.5〜2％、典型的には、あるまたは混和システム。正確な摩擦低減が通常の荷重および摺動速度におけるグラフト密度、重合度は、溶媒の量、および（弱）に依存するが、それは二桁の周りに常にある。我々はファクター5（400ミクロン/秒）することにより、上記のシステムのための滑り速度を増加させた場合、摩擦の減少は2％減少している。私たちは（300 NNに）係数10で通常の負荷を増加した場合、摩擦の減少は3％減少している。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/52285/52285fig1highres.jpg" /> 図1.セットアップの概略スケッチ。左パネルは、同じポリマーが表面とコロイドから移植される混和システムを、示している。ブラシは、一相の液体中に溶媒和されている。右側のパネルには、二つの異なるポリマーブラシの混和しないシステムを示している。各ブラシは、それ自身の好適な液体中に溶媒和される。伝統的には反対ブラシのポリマー混和システムが重なっている。不混和性のシステムでは、逆のブラシ摺動時の摩擦及び摩耗が低減されるように互いに噛み合いません。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/52285/52285fig2highres.jpg" width="700px" /> プロトコルセクションに記載したようにサンプル調製手順の図2の回路図のスケッチ。左から右へ、イニシエータ堆積及び表面開始原子移動ラジカル重合（ATRP SI）を介してブラシの準備の手順を示す。パス（A）は 、原子間力顕微鏡プローブ上の金コロイドから移植された金コーティングされたシリコン表面および（C）ブラシから移植されたシリコン表面から移植されたブラシ、（B）ブラシを説明しています。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/52285/52285fig2highres.jpg" target="_blank">アルを表示するには、こちらをクリックしてください</a>この図のargerバージョン。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/52285/52285fig3highres.jpg" /> 図3 FTIR PMMAのスペクトル（青）とPNIPAM（緑）、シリコン上のブラシ（太線）および金（細い線）。データは、補遺から採取した。マット。参考の。 22. PMMA波数（CM - 1）：3,050-2,990（CH伸縮振動）、1730 C = O（二重結合の伸縮振動）、1450（CH 3およびCH 2変形振動）、1,260-1,040（COC単結合伸縮振動）、880から960（COC単結合変形振動）。 1730センチメートルで- 1 C = O基の特性伸縮振動ピークが明らかであるPNIPAM波数（-1）：3289（NHの対称および非対称伸縮振動）、3078、2971、2933、2874（非対称および対称CHストレッチ。 - CHの振動&lt;サブ&gt; 2 - ）、1635（C = O伸縮振動）、1535（アミドII）、1458（CHの非対称曲げ変形）、1386（CH対称曲げ変形）、1,366-1,170（CN非対称伸縮振動）。 1635および1535センチメートルで- 1アミド基の特性伸縮振動ピークが明らかである。 <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/52285/52285fig4highres.jpg" width="700px" /> 図4は、混和性、摺動時に濾過し、平滑化された力のトレース（左）と（参考文献から調整した。22）非混和性（右）のシステムを平均した。表面は、1Hzの走査速度で、40μmで前後に移動させて30 NNの通常のロード。

接触ブラシの摩擦力顕微鏡実験を行う方法論が提示されています：(a)基板と(b)コロイドプローブからグラフト化された2つのポリマーブラシをスライドさせて、2つの接触する非混和性ブラシシステムを使用することで、摺動接触の摩擦が混和性ブラシシステムと比較して減少することを示しています。

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

次の実験の目標は、許容可能なポリマーブラシシステムを準備し、摩擦力顕微鏡を使用して両方のシステムの相対的な滑り運動に対する摩擦応答を測定することにより、それらを従来のミス可能なポリマーブラシシステムと比較することです。これは、2セットのシリコン表面から始めて、ペナイパムを一方のセットに、PMMAをもう一方のセットにグラフトすることによって達成されます。これらは、ポリマーブラシシステムの一部を形成するために使用される平らなポリマーブラシ表面になります。2番目のステップとして、金コロイドから始めます。シリコン原子間力顕微鏡カンチレバーに取り付け、その上にPMMAをグラフ化して力測定プローブを作成します。これは、ポリマーブラシシステムの2番目の部分も形成します。次に、力測定プローブを原子間力顕微鏡に取り付けます。定格PMMAブラシの表面をサンプルとして取り付け、許容摩擦を測定します。ブラシシステムは、許容可能なブラシシステムの摩擦を測定するために、ペナイパンブラシの表面を取り付けます。その結果、許容されるシステムの摩擦は、摩擦力顕微鏡で測定される従来の許容システムの摩擦の約1%であることが示されています。工業用オイルに基づく既存の方法に対する当社の技術の主な利点の1つは、表面の凹凸が互いにぶつかり合うときに発生するような、微視的なスケールで過酷な条件でも、低粘度の液体が接触したままになることです。従来のブラシシステムとは異なり、当社のブラシは、サラダドレッシングの酢と油の間に液体の流体界面があるため、相互浸透しません。ブラシが相互貫通しなくなるため、摩擦が減少します。さらに重要なことは、ポリマーへの損傷が防止され、最終的にはどこにも損傷がない可能性があります。この方法は、サンプル調製と原子間力顕微鏡の特性評価ステップを学ぶのが難しいため、視覚的にデモンストレーションすることが重要です。マイクロメートルサイズのコロイダルビートの均質で再現性のある機能化には特別なスキルが必要であり、その手順を実証する私の研究室の元ポスドクであるKanskyと、私の研究室の研究員であるc de bearが、シリコン表面の調製のための原稿を参照してください。この実験では、金、コロイドプローブ、および金基板の両方に開始剤を堆積させる必要があります。プローブでの作業を開始するには、0.2ミリモルの濃度を含むArgonne Romaフラスコでフラッシュされた小さなバイアルを入手します。単層溶液 1.5ミリリットルを引き出し、1.5ミリリットルの単層溶液をバイアルに移します。バイアルを近くに置いてください。次に、金コロイド原子間力顕微鏡プローブを入手し、エタノールのバイアルとクロロホルムのバイアルを準備し、プローブを浸すことができます。単層溶液のバイアルに加えて、ピンセットを使用してプローブをピックアップします。破損しないように必ず持ってください。まず、プローブをエタノールに数秒間浸し、次にクロロホルムに数秒間浸します。最後に、単層溶液と一緒にバイアルに入れます。バイアルをしっかりとポーズし、アルミホイルで包んでから、ベンチに一晩置いておきます。次に、金でコーティングされた基板を洗浄してすすぎます。この実験で使用した基板は、すべて1センチ×1センチです。単層溶液が入った大きなフラスコを前方に持ってきて、基板をその中に移し、浸漬します。フラスコを閉じて暗い場所に一晩保管します 翌日、まず、基板を取り出してベンチに戻します。スクイーズボトルに入ったクロロホルムとエタノールの容器を使用してそれらを洗う準備をします。重合フラスコを用意します。単層溶液から各基質を取り出し、最初にクロロホルムに浸します。次に、エタノールで洗います。完了したら、基材を重合フラスコに入れます。すべての基材を重合フラスコに入れたら、ゴム製のセプタムで密封します。基板フラスコを脇に置いた後、コロイドプローブの入ったバイアルを取り出して開きます。同じ洗浄手順に従って、最初にプローブをクロロホルムに浸し、次にエタノールに浸します。それぞれを洗浄したら、個々の重合バイアルに移します。このビデオでは、ポリ n Isop Proppy アクリルアミド ペナイ Pam. ポリメチルメタクリレートの重合手順のみを示します。PPMAは、基質とプローブが重合容器に入った原稿に含まれています。重合プロセスを開始するには、両方の容器をパージし、これを基質容器で実証します。これは、アルゴン供給に針が取り付けられたセプタムです。次に、コンセント用の針が追加されたセプタムです。次に、アルゴンフローを開始します。船舶がパージするまで、パージを30分間継続します。原子移動ラジカル重合、A TRPに取り組みます。ミディアムニャム。nyamとPM dtaを培地に溶解してモノラル溶液を作成します。使用前に、76ミリグラムの臭化銅と磁気攪拌棒の別のフラスコで溶液を2時間脱気し、フラスコを真空ラインとアルゴン源に取り付けてください。フラスコが攪拌板の上に置かれたら、バキュームラインを開いてフラスコの排気を開始します。排気が完了したら、約30分でポンプのバルブを閉じ、アルゴンヌの供給に対するバルブを開きます。続行する前に、避難と埋め戻しのサイクルを3回繰り返します。モノ溶液がドガされたら、臭化銅と一緒にフラスコに移し、混合物の攪拌を開始します。約15分後、透明な緑色の重合溶液が観察されます。アルゴンを洗い流した2ミリリットルのシリンジと針を使用して、1ミリリットルの重合溶液を引き出します。収集した溶液をコロイドプローブを備えたバイアルに、セプタムから注入して移します。シリンジを引き続き使用して、残りの重合溶液の一部を回収します。集めた溶液を基質が入ったフラスコに注入します。各サンプルを完全に沈めるのに十分な量を追加します。重合を室温で2時間進行させます。2時間が経過したら、重合バイアルを開けます。次に、プローブから始めて、洗浄のために取り外します。最初にエタノールに浸し、次に水に浸してサンプルを洗浄します。プローブを洗浄した後、これを数回繰り返し、0.1モルEDTAに数秒間浸します。精製水が入ったバイアルにプローブのみをひもでつないで保存します。各基材の洗浄を進めます。これは、プローブが水を注ぐ数サイクルを経るのと同じ方法で行います。次に、その上にエタノールをかけます。基材の色が変わるのは、ブラシの存在を示していることに注意してください。基板を洗浄した後、ウェルプレートに移します。各基質を個々のウェルに入れ、0.1モルのEDTA溶液で覆います。洗浄した基材を少なくとも12時間放置して、すべての銅を取り除きます。翌日。各基質を水とエタノールで洗浄します。再度、このビデオのために、基質をウェルプレートに置き、ウェルプレートを窒素ボックスに保管します。次のステップは、原子間力顕微鏡測定を行うことです。ここでは、A-P-M-M-Aで覆われたシリコン基板が顕微鏡に取り付けられ、プローブが液体セルに取り付けられています。A FMスキャンヘッドの準備を完了し、レーザーの位置合わせ、スプリング定数の校正、準備手順の完了時の品質係数の検索など、原子間力顕微鏡の予備的な手順を完了して続行します。ブラシサンプルに適用するアセトフォンで満たされたシリンジを準備します。FMヘッドを取り外してサンプルにアクセスします。次に、サンプルを顕微鏡から取り外します。アセトフォンを優しく塗ってブラシを硫酸化します。溶媒が蒸発するとサンプルの色が変化するため、乾燥プロセスに従うことができることに注意してください。サンプルを原子間力顕微鏡に再度取り付け、AFMヘッドを交換します。次に、コントロールに戻って変形設定点を設定し、カンチレバーを表面に接触させます。これにより、アセトフォンがブラシ内に移動してキャピラリーブリッジが作成されます。これらのトレースは、高さと摩擦の画像チャンネルを使用して取得されました。スキャンサイズが40ミクロンで、低速スキャン軸は無効になっています。画像がキャプチャされ、カンチレバーが引き出されたときの高さと摩擦画像チャネルを記録します。PMMA基板をペナイPAMに切り替える準備を開始します。まず、ピノPAM基板を取り出します。次に、ブラシを食べるために水滴を塗ります。次に、切り替えを行います。A FMのヘッドを持ち上げ、PMMA表面をペナイPAM表面にすばやく交換します。コロイドプローブのPMMAブラシからアセトフェノンが蒸発しないように、素早く動きます。サンプルをマウントした後、AFMHヘッドを元の位置に戻します。A FMコントロールに戻り、チップと表面を再度かみ合わせ、以前と同じように画像を記録します。これは、滑り面のフィルタリングされ、平滑化された力のトレースです。これらのトレースは MISSABLE PMMA システム用で、前方と後方の両方の動きを示します。これらのトレースは、非混和性のP nine PAMシステム用であり、プロットの前方および後方の動きも示しています。この力は、対称的なミス可能なシステムの定常状態の滑り力によって正規化されます。通常の負荷は30ナノニュートンで、トラバーサル速度は毎秒80ミクロンです。許容されるシステムの定常状態の力は、許容されるシステムの定常状態の力の 90 倍であることに注意してください。多くの機械や装置には可動部品があり、摩擦を引き起こし、寿命が限られると摩耗します。車軸やピストンから、超低用量の医療用注射器、さらには人工関節まで、その多くに応用が見られます。もちろん、化学エンジニアや学者は、特定のアプリケーションごとに最適なソリューションを設計する必要があります。このビデオを見れば、ポリマーブラシシステムの準備方法について十分に理解できるはずです。力顕微鏡プローブを機能化し、摩擦力顕微鏡実験を行いながら、摩擦力顕微鏡実験を試みます。ブラシとカンチレバーの間にキャピラリーを形成するのではなく、2つのブラシの間にキャピラリーを形成する必要があるため、液体を塗りすぎないようにすることが重要です。化学物質の取り扱いは非常に危険である可能性があり、この手順を実行するときは、手袋とゴーグルを着用してバルブベンチレーテッドヒュームフードで作業するなどの予防措置を常に講じる必要があることを忘れないでください。

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Research

JoVE Journal

Engineering

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