Methodenartikel

Voorbereiding en Friction Force Microscopy Metingen van mengbaar, tegengestelde polymeer Borstels

15.3K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/52285

⸱

24 december 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 dit artikel

Samenvatting

De methodologie voor het uitvoeren van wrijvingskrachtmicroscopie-experimenten voor contactborstels wordt gepresenteerd: Twee polymeerborstels die zijn geënt van (a) substraten en (b) colloïdale sondes worden geschoven om te laten zien dat, door het gebruik van twee contacterende onmengbare borstelsystemen, wrijving in glijcontacten wordt verminderd in vergelijking met mengbare borstelsystemen.

Samenvatting

Gesolvateerde polymeer borstels zijn welbekend bij hoge drukcontacten smeren, omdat ze een positieve normale lading kan dragen behoud van een lage wrijving bij het grensvlak. Toch kunnen deze systemen gevoelig voor slijtage door interdigitatie van de tegengestelde borstels zijn. In een recente publicatie hebben wij aangetoond via moleculaire dynamica simulaties en atomic force microscopie experimenten die met een mengbare polymere borstelsysteem beëindiging van het substraat en de schuif vlakken respectievelijk kunnen dergelijke interdigitatie elimineren. Bijgevolg dragen in het contact wordt verminderd. Bovendien is de wrijvingskracht twee orden van grootte lager dan traditionele mengbare polymere borstel systemen. Dit nieuw voorgestelde systeem houdt daarom een ​​groot potentieel voor toepassing in de industrie. Hier, de methodologie om een ​​niet mengbaar polymeer borstel systeem van twee verschillende borstels elk gesolvateerd door hun eigen voorkeursoplosmiddel construeren wordt gepresenteerd. De procedure hoe p entenPoly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) uit een vlak oppervlak en poly (methylmethacrylaat) (PMMA) van een atomic force microscopie (AFM) colloïdaal probe wordt beschreven. PNIPAM wordt gesolvateerd in water en PMMA in acetofenon. Via wrijvingskracht AFM-metingen is aangetoond dat de wrijving van dit systeem inderdaad twee orden van grootte is verlaagd vergeleken met het mengbare systeem van PMMA op PMMA gesolvateerde in acetofenon.

Inleiding

Perfect smeermiddelen verminderen wrijving en slijtage voor vaste stoffen in relatieve beweging, zelfs als normale lasten zijn hoog. Daartoe dient het smeermiddel in contact blijven tijdens schuiven en in rust. Echter, onder een positieve normale belasting, eenvoudige, lage viscositeit vloeistoffen worden snel geperst uit het contactoppervlak en zelfs hogere viscositeit oliën worden uiteindelijk verdreven. Maar biologische contacten, bijvoorbeeld in humane gewrichten, blijven gesmeerd met vloeistoffen met lage viscositeit te allen tijde. Natuur realiseert zulke efficiënte smering met behulp van suiker kettingen aan vaste oppervlakken 1. De hydrofiele suikerketens houden een waterige vloeistof in contact, wanneer de normale druk niet hoger zijn dan de osmotische druk van het oplosmiddel 2. Daarom is veel inspanning gericht geweest op het nabootsen van biologische smeermiddelen door enten polymeren aan vaste oppervlakken vormen zogenaamde polymeerborstels 3-12.

Wanneer twee tegengestelde polymeerborstels in contact worden gebracht, kunnen segmenten van de polymeerketens aan één zijde te verplaatsen naar de borstel keten segmenten aan de tegenoverliggende zijde. Dit effect wordt interdigitatie 13. Wanneer de borstels in relatieve schuifbeweging interdigitatie is de belangrijkste bron van slijtage en wrijving 14 15-17. In feite, kort frictie-velocity relaties verschuifbaar polymeer borstels afgeleid 18. Deze schalingswetten zijn gebaseerd op interdigitatie en de daaruit strekken en buigen van de polymeren bij schuiven. De belangrijkste kenmerken komen overeen met de resultaten van het oppervlak krachten apparaten experimenten 19 en van moleculaire dynamica (MD) simulaties 20. In deze de mate van overlap kan direct worden gekwantificeerd. Bovendien werd aangetoond dat de overlap tussen polyelektrolyt borstels kunnen gevarieerd worden door toepassing van een elektrisch veld 21. Dus, als interdigitatie kan worden omzeild, wrijving en slijtage in deze systemen significan zou zijnTLY verminderd.

In een recente publicatie 22 hebben we aangetoond via MD-simulaties twee mengbare gesolvateerde polymere borstel verhinderen dat overlap tussen de borstels. Bovendien, bij het schuiven van de borstels, vonden we een vermindering van de wrijvingskracht door twee orden van grootte in vergelijking met de traditionele mengbare borstel systemen goed overeen met onze atomic force microscopie (AFM) metingen. Hier hebben we in detail uitleggen hoe het opzetten van de AFM experimenten van Ref. 22. Het basisprincipe is getekend in figuur 1. Op de twee contra-oppervlakken, twee verschillende borstels, elke gesolvateerd door hun eigen voorkeursoplosmiddel, nodig zijn. In deze configuratie blijft elke borstel in zijn eigen oplosmiddel. Bijgevolg polymeersegmenten ene borstel niet doordringen in de andere borstel. Poly (methylmethacrylaat) (PMMA) wordt geënt vanuit een AFM colloïdale probe en de borstel wordt gesolvateerd door acetofenon. Vanuit het platte vlak poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) wordt geënt en gesolvateerd in water. Om het huidige systeem voor de traditionele mengbaar met elkaar te vergelijken, is een tweede plat tegen de ondergrond waarop een PMMA borstel gesolvateerd in acetophenon gemaakt. De gemeten wrijvingskracht op schuiven mengbare systeem van PMMA op PNIPAM ongeveer 1% van de wrijving van het mengbare systeem van PMMA op PMMA. Merk op dat het gebruik van deze bijzondere borstel systemen is slechts een voorbeeld. De onderhavige methode is generiek en werkt vanwege de gewenste absorptie van de oplosmiddelen in de verschillende borstels. Daarom zijn meer soorten borstels verwacht toepasbaar zijn, zolang het gekozen oplosmiddel de-mengsel in de twee borstels. Het effect wordt versterkt door twee niet vermengen oplosmiddelen (zoals acetofenon en water) zodat een extra gladde fluïdum-on-vloeistof schuiftussenvlak gecreëerd 22,23.

Protocol

OPMERKING: Figuur 2 illustreert bereiding van het monster. Polymeer borstels werden geënt uit silicium (Si) substraten (pad (a)), van met goud beklede substraten (100 nm goud verdampt op Si wafel met een 10 nm Cr hechtlaag, pad (b)), en van goud colloïdale AFM probes (6 micrometer diameter, pad (c)) door oppervlakte geïnitieerd atoom transfer radicaal polymerisatie (SI-ATRP) 24. De AFM metingen werden uitgevoerd op een Multimode AFM met de low-noise hoofd, verticale betrekken scanner en een vloeibare cel.

1. Monstervoorbereiding

  1. Voorbereiding van de ondergrond
    1. Initiatiefnemer depositie op silicium oppervlakken.
      1. Reinig het silicium substraten met chloroform, dan piranha oplossing Vervolgens reinigen met gezuiverd water, ethanol en chloroform.
      2. Plaats de droge substraten in een exsiccator rond een flesje met 50 pl (3-aminopropyl) triethoxysilaan.
      3. Evacueren de exsiccator witha rotary vane pomp gedurende 15 minuten en sluit deze vervolgens. Laat de damp depositie op O te gaan / N.
      4. Bereid een oplossing van 40 ml tolueen (ontgast) en 40 pi triethylamine in een erlenmeyer.
      5. Plaats de substraten in de kolf en druppelsgewijs toevoegen 40 pi 2-broom-2-methylpropionyl. Bewaar de substraten in de oplossing, om afzetting van zoutkristallen gevormd in oplossing voorkomen.
      6. Roer de oplossing gedurende 4 uur.
      7. Spoel de substraten met tolueen en ethanol. Plaats vervolgens de substraten in de polymerisatie flesjes.
    2. Initiatiefnemer depositie op goud oppervlakken
      1. Bereid een monolaag: los 2-broom-2-methyl-propionzuur 11- [11- (2-broom-2-methyl-propionyloxy) -undecyldisulfanyl] -undecyl ester in 20 ml ontgast chloroform (0,2 mM).
      2. Transfer ca. 1.5 ml monolaag oplossing in een klein flesje die eerder werd gespoeld met argon.
      3. Reinig het goud gecoate substraten met chloroform enpiranha oplossing. Vervolgens reinigen met gezuiverd water, ethanol en chloroform.
      4. Dompel de gereinigde substraten in de monolaag-oplossing en sluit de kolf. Winkel O / N op een donkere plaats.
      5. Reinig het colloïdale goud probes met ethanol en chloroform door dompelen ze in de oplosmiddelen.
      6. Dompel de colloïdale sondes in de flacon met de monolaag oplossing. Sluit stevig en bewaar deze op een donkere plaats O / N.
      7. Verwijder de substraten uit de oplossing, wassen met chloroform en ethanol. Vervolgens overdracht van de initiator beklede substraten in de polymerisatie kolf.
      8. Verwijder de colloïdale probes van de monolaag oplossing, wassen met chloroform en ethanol. Vervolgens breng elke probe afzonderlijk in de polymerisatiereactor flacon.
  2. Polymerisatie
    1. SI-ATRP van PMMA
      1. Spoel de kolf en flesjes, die de initiator bedekt ondergronden (zowel Si en goud) en de colloïdale sondes met Arggedurende 30 min.
      2. Los 10 g methylmethacrylaat (MMA) in het ATRP-medium (10 ml methanol / watermengsel met de verhouding 5: 1) en ontgas de oplossing 2 uur.
      3. Voeg 145 mg CuBr en 320 mg 2,2-bipyridine in een kolf uitgerust met een magnetische roerstaaf en deoxygenize met 3 vacuüm-Ar backfill cycli.
      4. Breng de ontgaste monomeeroplossing in de kolf (die de koper) en roer gedurende 15 min tot een heldere bruine oplossing wordt waargenomen.
      5. Bevestig een naald aan een spuit 2 ml en spoel de naald en de spuit met argon 2-3 keer.
      6. Terugtrekken 1 ml polymerisatie oplossing met de spuit en injecteer de inhoud in de kleine reactie flacon, met daarin de colloïde sonde.
      7. Trekken de resterende oplossing met de spuit en injecteer de inhoud in de reactie flacon, met de vlakke ondergronden. Voeg genoeg oplossing voor elk monster volledig onder te dompelen.
      8. Het gedrag van de polymerisatie gedurende 40 uur bij kamertemperatuur.
      9. ReVerplaats de monsters uit de polymerisatie-oplossing en wassen met ethanol en chloroform in meerdere cycli. De kleuring van het monster de aanwezigheid van de borstel.
      10. Tenslotte wordt de substraten onder een stikstofstroom.
      11. Houd vlakke ondergronden in een stikstof doos. WINKEL polymere borstel gemodificeerde probes in tolueen.
    2. SI-ATRP van PNIPAM 10
      1. Spoel de kolf en flesjes, die de initiator bedekte substraten (zowel Si en goud) en de colloïde probes met argon gedurende 30 min.
      2. Ontbinding van 5,6 g N -isopropylacrylamide en 320 ul PMDETA in de ATRP medium (1,6 ml water en 18 ml methanol) en ontgas de oplossing voor 2 uur.
      3. Voeg 76 mg CuBr in een kolf uitgerust met een magnetische roerstaaf en deoxygenize met 3 vacuüm-Ar backfill cycli.
      4. Breng de ontgaste monomeeroplossing in de kolf die de koper bevat. Roer gedurende 15 minuten totdat een heldere groene oplossing waargenomen.
      5. Bevestig een naald aan een spuit 2 ml en spoel de naald en de spuit met argon 2-3 keer.
      6. Terugtrekken 1 ml polymerisatie oplossing met de spuit en injecteer de inhoud in de kleine reactie flacon, met daarin de colloïde sonde. Herhaal dit voor alle sondes.
      7. Trekken de resterende oplossing met de spuit en injecteer de inhoud in de reactie kolf, met de vlakke ondergronden. Voeg genoeg oplossing voor elk monster volledig onder te dompelen.
      8. Het gedrag van de polymerisatie gedurende 2 uur bij kamertemperatuur.
      9. Verwijder de monsters uit de polymerisatie-oplossing en wassen met ethanol en water door meerdere cycli. Het verschijnen kleur van het monster duidt op de aanwezigheid van de borstel.
      10. Dompel het monster in 0,1 M EDTA-oplossing en bewaar het in de oplossing O / N om al het koper te verwijderen. Wassen met gezuiverd water en ethanol.
      11. Houd de vlakke substraten in een stikstof doos. Bewaar de PNIPAM borstel gewijzigde sondes in gezuiverd water.
  3. Brush karakterisering, Fourier Transform Infrared (figuur 3)
    OPMERKING: Gebruik het weiden-hoek FTIR-modus voor polymeer borstels op gouden ondergrond en transmissie FTIR-modus voor polymeer borstels op Si substraat. Droog alle monsters zorgvuldig. Al het water en oplosmiddel verontreiniging kan ernstige schade van de detector veroorzaken.
    1. Het opstarten van de apparatuur volgens de handleiding van de fabrikant.
    2. Stel de volgende parameters voor monsteroplossing: bereik tussen 900 en 3700 cm -1 met een resolutie van 4 cm-1 en gemiddelde 32 scans per meting.
    3. Reinig een blanco substraat volgens het protocol dat wordt gebruikt voor de bereiding van de monsters, zorgvuldig droog en plaats deze op de meetkamer.
    4. Breng vacuüm gedurende 4 uur. Neem vervolgens een achtergrond scan.
    5. Verwijder de blanco monster en plaats de droge polymeer borstel gecoate monster in de monsterkamer.
    6. Toepassing vacuüm in de Sample kamer en registratie van een sample-scan elke 30 min gedurende 5 uur.
    7. Identificeer alle pieken in de spectra chemische samenstelling van het polymeer borstel bevestigen. (Alleen het analyseren van de scans met een rechte basislijn.)

2. AFM Meting

  1. Krassen op de PMMA kwast bedekt substraat voorzichtig met een naald, spoelen met een goed oplosmiddel om de overmaat aan polymeer te verwijderen en drogen.
  2. Monteer de monsters in de AFM-instrument en monteer de sonde in de vloeistof cel.
  3. Lijn de laser op het einde van de cantilever.
  4. Met gebruik van de camera, lijnt de punt boven een kras.
  5. Voordat het naderen en het aangaan van de tip, zet de scan maat 0 nm. Vervolgens gaan de punt naar de oppervlakte.
  6. Ga naar 'ramp mode' en het bepalen van de doorbuiging gevoeligheid via kracht afstand bochten. Kalibreren van de normale veerconstante met behulp van de 'thermische tune' zoals geïmplementeerd in de software en torsie veerconstante of de cantilever volgens de methode van Wagner et al. 25
    1. Leg de torsie thermische ruis van de cantilever in de lucht voor 2 sec met behulp van de high speed data capture in de software (6,25 MHz).
    2. Zetten de thermische ruis in de spectrale vermogensdichtheid (V 2 / Hz) met behulp van de Fourier Transform.
    3. Bepaal de fundamentele resonantie en de kwaliteit factor van de cantilever in de lucht met behulp van de resonantie piek in de spectrale vermogensdichtheid en de vergelijking voor een eenvoudige harmonische oscillator inclusief basislijnruis (eq. 2 van Ref. 25).
    4. Bereken de torsieveer constante vlak gelegen met de afmetingen van de cantilever (lengte en breedte), de dichtheid en de viscositeit van het omringende medium (lucht) en de kwaliteitsfactor en de resonantiefrequentie bepaald in stap 2.6.3 volgens de methode van Sader 26.
      LET OP: We gebruikten de tool die op de website van John Sader: www.ampc.ms.unimelb.edu.au/afm/calibration.html.
    5. Calculate de torsiehoek doorbuiging gevoeligheid van de cantilever met behulp eq. 6 en 7 van ref. 25.
    6. Zet de torsie veerconstante en doorbuiging gevoeligheid in de laterale veerconstante en doorbuiging gevoeligheid met de grootte van het colloïde, de dikte van de cantilever en eq. 8 van Ref. 25.
      Opmerking: het detectorsignaal kan nu worden omgezet in een kracht via: [N] = laterale veerconstante [N / m] * laterale afwijkingen gevoeligheid [m / V] * detectorsignaal [V].
  7. Meet de hoogte van de borstel van de droge borstel door beeldvorming van de borstel op een kras op het laagst mogelijke doorbuiging setpoint. Bepaal de borstel hoogte van de line-scans van het vastgelegde beeld.
  8. Solvaat de borstel in acetofenon door zachtjes toepassing in het oppervlak met een spuit.
    OPMERKING: De kleur van het monster verandert als het oplosmiddel verdampt. Hierdoor kan na het droogproces.
  9. Monteer het monster aan de AFM. Lijn de verticale laser signaal naar-1.0 V. Stel de doorbuiging setpoint op 0 V en schakel de cantilever en oppervlak.
    OPMERKING: Nadat brengen van de cantilever in contact met het oppervlak, de acetofenon beweegt in de borstel op de colloïde waardoor een capillair brug tussen de naaldpunt en het oppervlak.
  10. Stel de grootte van de scan tot 40 micrometer, de langzame scan assen en stel de beeldverhouding naar 1 te schakelen: 4. Noteer de hoogte en het beeld wrijving kanalen (zowel spoor en retrace).
  11. Wanneer de beelden worden vastgelegd trekken de cantilever.
  12. Breng een druppel water op de PNIPAM-borstel bedekte oppervlak, om de PNIPAM borstel solvateren.
  13. Til het hoofd en snel vervangen van de PMMA-oppervlak door de opgeloste PNIPAM oppervlak om de niet-mengbare systeem te creëren. Wees er snel bij het vervangen van de oppervlakken, om verdamping van het acetofenon van het PMMA borstel op de colloïdale probe voorkomen.
  14. Schakel de tip en het oppervlak, en opnemen van beelden met dezelfde parameters zoals eerder.

Resultaten

Figuur 4 toont vertegenwoordiger AFM kracht sporen op te schuiven zowel de mengbaar en de niet-mengbare polymere borstel systemen. De wrijvingskracht F wordt genormaliseerd door de wrijvingskracht bij steady state schuiven F sym voor de symmetrische, mengbaar systeem. De gezwollen borstel hoogte in deze experimenten was 1010 nm voor PMMA en 532 nm voor PNIPAM. De kracht sporen worden gevangen na het volgen van de in de sectie protocol beschreven procedure. In deze experimenten werd het oppervlak heen en weer met een snelheid v van 80 um / sec verplaatst en tegelijkertijd een normale belasting van 30 nN. Het verschil in wrijvingskracht voor de mengbaar (linker paneel) en niet mengbaar (rechter paneel) borstel systemen kan duidelijk worden waargenomen. De steady state wrijvingskracht in het linkervenster is 90x hoger dan de steady state wrijvingskracht in rechter paneel. Voor de niet-mengbare systeem de gemeten wrijvingskracht is meestal 0,5-2% van de wrijvingskracht gemeten fof mengbare systeem. Hoewel de exacte wrijving reductie hangt af van de enten dichtheid polymerisatiegraad hoeveelheid oplosmiddel, en (zwak) op de normale belasting en glijsnelheid is altijd ongeveer twee orden van grootte. Als we verhogen glijsnelheden van de hierboven beschreven met een factor 5 (400 um / sec) systeem, de verminderde wrijving afneemt met 2%. Als we verhogen de normale belasting met een factor 10 (tot 300 NN), de vermindering van wrijving daalt met 3%.

figure-results-1
Figuur 1. Schematische tekening van de installatie. Linker paneel toont het mengbare systeem, waarbij dezelfde polymeren worden geënt van het oppervlak en het colloïde. De borstels gesolvateerd in een éénfasige vloeistof. Het rechter paneel toont de niet-mengbare systeem van twee verschillende polymeer borstels. Elke borstel is gesolvateerd in zijn eigen favoriete vloeistof. In traditionelemengbaar systemen de polymeren van het andere borstels overlappen. Voor de niet-mengbare systeem, hoeft tegenover borstels niet zodanig dat de wrijving interdigitate en dragen tijdens schuiven wordt verminderd.

figure-results-2
Figuur 2. Schematische schets van bereiding van het monster, zoals beschreven in het hoofdstuk protocollen. Van links naar rechts toont de procedure van borstel voorbereiding via initiatiefnemer depositie en de oppervlakte geïnitieerd atoomoverdrachtsradicaalpolymerisatie (SI ATRP). Path (A) beschrijft de borstels geënt uit silicium oppervlakken, (B) borstels geënt van goud gecoate silicium oppervlakken en (C) borstels geënt uit goudcolloïden op atoomkrachtmicroscopie sondes. Klik hier om al te bekijkenArger versie van deze figuur.

figure-results-3
Figuur 3. FTIR spectra van de PMMA (blauw) en PNIPAM (groen) borstels op silicium (dikke lijnen) en goud (dunne lijnen). De gegevens zijn ontleend aan Suppl. Mat. van Ref. 22. PMMA golfgetallen (cm - 1): 3,050-2,990 (CH stretching trillingen), 1.730 C = O (dubbele binding stretching trillingen), 1.450 (CH 3 en CH 2 vervorming trillingen), 1,260-1,040 (COC enkele binding stretching trillingen ), 880-960 (COC enkele binding vervorming trillingen). Bij 1.730 cm - 1 de karakteristieke strekvibratie piek van de C = O-groep blijkt PNIPAM golfgetallen (cm-1): 3,289 (NH symmetrische en asymmetrische stretching trillingen), 3078, 2971, 2933, 2874 (asymmetrische en symmetrische CH stretching. trilling in CH 2 -), 1635 (C = O strekvibratie), 1535 (amide II), 1458 (CH asymmetrische buigvervormingen), 1386 (CH symmetrische buigvervormingen), 1,366-1,170 (CN asymmetrische rektrillingen). Op 1635 en 1535 cm - 1 de karakteristieke strekvibratie toppen van de amide groep zijn duidelijk zichtbaar.

figure-results-4
Figuur 4. Averaged, gefilterd en gladgestreken kracht sporen op het schuiven van de mengbaar (links) en niet mengbaar (rechts) systemen (aangepast van Ref. 22). De oppervlakte heen en weer met 40 micrometer verhuisd naar een scan-snelheid van 1 Hz en normale belasting van 30 NN.

Discussie

De gepresenteerde resultaten tonen aan dat de wrijving voor mengbare systemen individueel gesolvateerde borstels, sterk verminderd in vergelijking met traditionele systemen mengbaar twee van dezelfde gesolvateerde borstels. De geprefereerde absorptie van de verschillende oplosmiddelen in de twee borstels voorkomt dat de borstels van interdigiterende en dientengevolge een belangrijke bron van slijtage en afbraak in polymere borstel wrijving wordt opgeheven. De onderhavige methode is ook fundamenteel van glijden droge hydrofiele op hydrofobe borstels, waarbij de wrijving wordt bepaald door borstel-specifieke interacties 27. In feite, na knippen PMMA op PNIPAM (opgevouwen hoogte 166 nm) oplosmiddelvrij, vonden we dat de wrijving was 50% hoger dan drogen PMMA op PMMA (opgevouwen hoogte 236 m).

Zoals reeds in de toelichting van de sectie 'protocol' wees kort, er zijn een paar cruciale punten die moeten in het achterhoofd worden gehouden tijdens het uitvoerendeze bijzondere experimenten: Ten eerste, acetophenon is een beter oplosmiddel voor PNIPAM dan water. Daarom moet ervoor worden gezorgd dat acetophenon niet voer de PNIPAM borstel door het bevochtigen van de PNIPAM borstel met veel water. Sinds acetophenon en water niet mengen, zal de acetophenon nu niet in de PNIPAM borstel. Daarom hebben we ons systeem niet volledig heeft onderdompelen in acetophenon, maar in plaats daarvan ontstond een acetophenon capillair voor het mengbaar systeem. Een andere reden voor onvolledige onderdompeling is dat een volledige onderdompeling resultaten in te sterk hydrodynamica, zodanig dat we alleen gemeten de Stokes sleep op het colloïde en cantilever. Ten tweede, in AFM experimenten de torsie- en normale veerconstanten gekoppeld. Cantilevers met een lage normale veerconstante zal ook een relatief lage torsie veerconstante en vice versa. Dit beperkt de laagste meetbare wrijvingscoëfficiënt tot> 10 -3. Aldus, teneinde de volledige wrijvingsvermindering, de wrijving van de mis metencible systeem moet hoog zijn. Dit wordt bereikt door lange high-density borstels en een relatief hoge afschuifsnelheid meestal 100 m / sec. Bovendien is de capillaire tussen de borstels verhoogt ook de wrijvingskrachten. We meten de laagste wrijvingscoëfficiënt, voor een niet mengbaar systeem 22, van μ = 0,003 onder een geschatte normale spanning van 200 kPa. Met dezelfde experimentele condities, vonden we dat μ = 0,15 voor het mengbare systeem.

Merk op dat de experimenten werden uitgevoerd in een gecontroleerde laboratorium omgeving en oppervlakken in de industrie niet zo ideaal als in de gepresenteerde experimenten. De meeste oppervlakken een ongelijkmatige verdeling ruwheid 28 en dus veel oneffenheden van verschillende vormen en maten. Tijdens de botsing van twee-borstel dragende oneffenheden, wordt de wrijving bestaat uit verschillende dissipatie kanalen 29. Naast de steady-state dissipatie mechanismen, zoals interdigitatie en oplosmiddelstroom, er hysterese-effecten in de vorm 30 te wijten aan de trage relaxatietijd van de polymeren en oplosmiddel. Bovendien worden gevormde capillairen en gebroken. In de traditioneel gebruikte mengbaar borstel systemen, voorbijgaande interdigitatie 31 versterkt vorm- en capillaire hysteresis. Met de niet-mengbare systeem hier gepresenteerd wordt voorbijgaande interdigitatie ook geëlimineerd. Bovendien kan capillaire hysteresis worden omzeild door toepassing van twee niet-mengbare oplosmiddelen. Daarom is ook de meest voorkomende ruwe oppervlakken, wrijving en slijtage wordt verminderd met mengbare schrobzuigmachines 22. De belangrijkste bron van wrijving die overblijft is borstel vervorming. Verankering polyzwitterionic polymeren, die bekend staan ​​om hun intrinsieke lage wrijving 32, op één van de oppervlakken laatstgenoemde minimaliseren. In dergelijke systemen de osmotische druk van het oplosmiddel is hoog wat resulteert in kleine borstel vervorming onder hoge normale belastingen.

Degepresenteerde methode van onmengbare borstel kunnen worden toegepast in bijna elk systeem waarbij lage wrijving gewenst is. De methode werkt goed onder hoge druk. Echter, moet erop worden gelet dat de temperatuur ongeveer kamertemperatuur wordt gehouden. Hoge temperaturen beschadigen de polymeren, welke vloeistof-flow zal leiden uit het contact en dus een hoge wrijving. Voorbeelden van mogelijke toepassingen zijn: spuiten, zuigersystemen, as lagers en scharnieren.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Wij danken M. Hempenius en E. Benetti voor vruchtbare discussies, Y. Yu voor een zorgvuldige controle van het recept, M. Vlot voor de afbeelding van het model van figuur 1, C. Padberg en K. Smit voor technische ondersteuning. EK erkent de Nederland Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO TOP-subsidie ​​700.56.322, Macromolecular Nanotechnologie met Stimulus Responsive Polymers) voor financiële steun. SdB werd gesteund door de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), dat financieel wordt gesteund door Nederland Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Methyl methacrylateSigma-AldrichM55909 Monomeer voor PMMA-synthese, gereinigd door persen door een basische alumina kolom
(3-aminopropyl)triethoxysilaneSigma-Aldrich440140Vaperad silaankledingslaag
triethylamineSigma-AldrichT0886Reagens voor de ATRP-initiatorgroep koppeling.
2-broom-2-methylpropionylSigma-Aldrich252271ATRP-initiatorgroep.
tolueenBiosolve20150501Koppelmedium voor ATRP-groep
CuBrSigma-Aldrich212865ATRP-katalysator.
2,2′-BipyridylSigma-Aldrich14453Cu-complexvormer voor ATRP van MMA
N,N,N′,N",N"-PentamethyldiethylenetriamineSigma-Aldrich369497Cu-complexvormer voor ATRP van NIPAM
azijnzuur 98-100%Merck8187551000Voor het reinigen van CuBr.
ZwavelzuurSigma-Aldrich320501Voor de bereiding van Piranha-oplossing
Waterstofperoxide 33%Merck1.07210.1000Voor de bereiding van Piranha-oplossing
EthanolMerck1.00983.1000Voor het reinigen van substraten.
Basisch aluminiumoxide 60 MerckVoor het reinigen van monomeren.
ChloroformBiosolve3080501Voor monolaagdeposition en substratenreiniging.
MethanolBiosolve13680501Voor polymerisatiemedium.
AcetofenonAcros Organics102410010Voor AFM-meetomgeving.
N-isopropyl acrylamideAcros Organics412780250Monomeer voor PNIPAM-synthese, herkristalliseerd uit tolueen/hexaan
Poly(ethyleenglycol) methacrylaat Sigma-Aldrich409529Monomeer voor Si-POEGMA-synthese, gereinigd door persen door een basische alumina kolom.
MilliQ-waterMilliQ Advantage A 10-zuiveringssysteem ATRP-medium, AFM-meetomgeving en voor substratenreiniging.
Siliciumsubstraten 
Goud gecoate substraten
AFM-sonde, CP-FM-AuSQubeAFM-meting
[header]
dithiodiundecane-11,1-diybis[2-broom-2-methlpropanoaat] (DTPR)Initiator, voor Si-ATRP op goudoppervlakken.
Gesynthetiseerd volgens Macromolecules, 33, 597-605 (2000).
Atomaire krachtmicroscoopBruker Multimode V controller

Referenties

  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).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

PNIPAM ent graftingPMMA ent graftingatoomkrachtmicroscopieimmiscibele polymeersystemenbereiding van polymeerborstelswrijvingskrachtmetingenkarakterisering van polymeerborstelsvorming van capillaire bruggen

Gerelateerde artikelen