Методическая статья

Подготовка и трение силовой микроскопии Измерения НЕСМЕШИВАЮЩЕЙСЯ, противопоставляя полимерные щетки

15.2K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/52285

⸱

24 декабря 2014 г.

 ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Представлена методология проведения экспериментов по силовой микроскопии трения для контактирующих щеток: Две полимерные щетки, которые привиты из (a) подложек и (b) коллоидных зондов, скользят, чтобы показать, что при использовании двух контактирующих несмешивающихся щеточных систем трение в скользящих контактах уменьшается по сравнению с смешиваемыми щеточными системами.

Аннотация

Сольватированные полимерные щетки хорошо известны, чтобы смазать контакты высокого давления, поскольку они могут выдержать положительное нормальную нагрузку, сохраняя при этом низкий коэффициент трения на границе. Тем не менее, эти системы могут быть чувствительны к износу в результате разобщение из противоположных щеток. В недавней публикации, мы показали, с помощью молекулярной динамики моделирования и экспериментов атомно-силовой микроскопии, что с помощью несмешиваемой полимерной системы кисти прекращении подложки и ползунок поверхности, соответственно, может устранить такое смыкание зубов. Как следствие, износ в контактах уменьшается. Кроме того, сила трения на два порядка ниже по сравнению с традиционными системами смешивается полимерных щеток. Таким образом, этот недавно предложенная система имеет большой потенциал для применения в промышленности. Здесь методология построения несмешиваемой полимер кисти систему из двух различных щеток каждого сольватированных своей предпочтительного растворителя представлена. Процедура, как привить рOly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) от плоской поверхности и поли (метилметакрилата) (PMMA) с атомно-силовой микроскопии (АСМ) коллоидного зонда описано. PNIPAM сольватирован в воде и ПММА в ацетофеноном. Via АСМ сила трения, показано, что трение для этой системы действительно снижается на два порядка по сравнению с смешиваемом системы ПММА ПММА, сольватированного в ацетофеноном.

Введение

Совершенные смазочные материалы уменьшают трение и износ твердых тел в относительном движении, даже когда нормальные нагрузки высокие. Чтобы достичь этого, смазка должна оставаться в контакте при скольжении и в состоянии покоя. Тем не менее, при положительном нормальной нагрузке, простые, с низкой вязкостью жидкости быстро выдавливается из зоны контакта и даже выше вязкости масла выслан в конце концов. Тем не менее, биологические контакты, например, в суставах человека, остаются смазанными с низкой вязкостью жидкости во все времена. Природа реализует такую ​​эффективную смазку с помощью сахара цепей, присоединенных к твердым поверхностям 1. Гидрофильные цепи сахара сохранить водную жидкость в контакте при условии, что нормальное давление не превышает осмотическое давление растворителя 2. Таким образом, много усилий было направлено на подражая биологических смазочных материалов путем прививки полимеров к твердым поверхностям, образуя так называемые полимерные щетки 3-12.

Когда два соперника полимеркисти приводят в контакт, сегменты полимерных цепей с одной стороны может двигаться в сегментах щетки цепи на противоположной стороне. Этот эффект называется смыкание зубов 13. Когда кисти находятся в относительном скользящим движением, разобщение является основным источником износа 14 и трения 15-17. На самом деле, в последнее время, трения скорость отношения для раздвижных полимерные щетки были получены 18. Эти масштабные законы основаны на разобщение и последующее растяжение и изгиб полимеров при скольжении. Основные характеристики согласуются с результатами поверхностных сил аппарата экспериментов 19 и молекулярной динамики (МД) симуляции 20. В последнем степень перекрытия могут быть непосредственно определены количественно. Кроме того, было показано, что перекрытие между полиэлектролитных щеток могут быть настроены путем приложения электрического поля 21. Таким образом, если разобщение можно обойти, трение и износ в этих системах будет significanTLY снижается.

В недавней публикации 22 мы показали с помощью МД, что два несмешивающихся Сольватированные полимерных систем кисти избежать дублирования между щетками. Кроме того, при скольжении кисти, мы обнаружили, снижение силы трения на два порядка величины по сравнению с традиционными смешивающихся систем кисти, в прекрасном согласии с нашей атомно-силовой микроскопии (АСМ) измерений. Здесь мы подробно объяснить, как настроить АСМ экспериментах. 22. Основной принцип схематически на фиг.1. На две противоположные поверхности, два различных щеток, каждая сольватированной собственным предпочтительном растворителе, необходимы. В этой конфигурации каждый щетки остается в своем собственном растворителе. Следовательно, полимерные сегменты из одной щетки не проникают в другой щетки. Поли (метилметакрилат) (ПММА) привит из коллоидного зонда АСМ, и щетка сольватирован ацетофенона. От плоской поверхности поли (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) привит и сольватированные в воде. Для сравнения существующей системы с традиционными системами, смешивающихся, вторую плоскую против опорной поверхности кисти ПММА сольватированную в ацетофеноном сделал. Измеряется сила трения скольжения при несмешивающегося систему ПММА на PNIPAM примерно 1% от трения для смешивающегося системы ПММА на ПММА. Следует отметить, что использование этих конкретных систем кисти является лишь одним из примеров. Представленный способ является общим и работает за счет предпочтительного поглощения растворителей в различных щеток. Таким образом, более типов щеток, как ожидается, будет применимо, при условии, что выбранные растворители де-смеси в две щетки. Эффект усиливается с помощью двух несмешивающихся растворителей (таких как ацетофенон и воды), так что дополнительная скользкой жидкости на жидкости скольжения интерфейс создается 22,23.

Протокол

ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 2 показана процедура пробоподготовки. Полимерные щетки были привиты из кремния (Si) подложки (путь (а)), с золотым покрытием подложки (100 нм золота выпаривают на кремниевой пластины, имеющей 10 нм Cr адгезионного слоя, путь (б)), и из золота коллоидных зондов АСМ (диаметр 6 мкм, путь (с)) на поверхности инициировал атом-передачи радикальной полимеризации (SI-ATRP) 24. Измерения АСМ проводились на многомодовом АСМ с низким уровнем шума головы, вертикальный вести сканер и жидкую клетку.

1. Подготовка образцов

  1. Подготовка основания
    1. Осаждение Организатор на поверхности кремния.
      1. Очистить кремниевых подложках с хлороформом, затем раствором пираньи, затем промыть дистиллированной воды, этанола и хлороформа.
      2. Поместите сухие субстраты в эксикаторе вокруг пробирку, содержащую 50 мкл (3-аминопропил) триэтоксисилан.
      3. Эвакуировать эксикаторе остроумиеха-роторный насос в течение 15 мин и закройте его впоследствии. Разрешить осаждения из паровой фазы, чтобы продолжить O / N.
      4. Приготовьте раствор 40 мл толуола (дегазированной) и 40 мкл триэтиламина в колбе Эрленмейера.
      5. Поместите субстратов в колбу и по каплям добавляют 40 мкл 2-бром-2-метилпропионил. Хранить подложек в растворе, чтобы избежать осаждения кристаллов соли, образованные в растворе.
      6. Раствор перемешивают в течение 4 ч.
      7. Промыть субстраты с толуолом и этанолом. Далее, поместите подложек во флаконы полимеризации.
    2. Осаждение Организатор на золотых поверхностей
      1. Готовят раствор однослойную: растворить 2-бром-2-метил-пропионовой кислоты 11- [11- (2-бром-2-метил-пропионилокси) -undecyldisulfanyl] -undecyl эфира в 20 мл дегазированной хлороформ (0,2 мм).
      2. Передача ок 1,5 мл раствора монослой в небольшой пузырек, который был ранее продували аргоном.
      3. Очистите позолоченные субстратов с хлороформом ипиранья решение. Впоследствии промыть дистиллированной воды, этанола и хлороформа.
      4. Погрузитесь очищенные субстраты в монослой решения и закройте колбу. Магазин O / N в темном месте.
      5. Очистите золото коллоидные зондов с этанола и хлороформа путем погружения их в растворителях.
      6. Погрузитесь коллоидных проб во флакон, содержащий монослой решение. Закрыть плотно и держать его в темном месте O / N.
      7. Удалить подложек из раствора, промывают хлороформом и этанолом. Далее, передача инициатора, покрытые подложки в колбу полимеризации.
      8. Удалить коллоидных проб из монослоя решения, промыть хлороформом и этанолом. Далее, передача каждого зонда отдельно во флакон полимеризации.
  2. Полимеризация
    1. SI-ATRP из ПММА
      1. Выпустите колбу и чаш, содержащий инициатор, покрытые субстраты (как Si и золото) и коллоидных проб с аргументом,в течение 30 мин.
      2. Растворить 10 г метилметакрилата (ММА) в среде ATRP (10 мл смеси метанол / вода с отношением 5: 1) и дегазации раствора в течение 2 ч.
      3. Добавить 145 мг CuBr и 320 мг 2,2-бипиридин в колбу, снабженную магнитной мешалкой и deoxygenize от 3 вакуумной Ar циклов обратной засыпки.
      4. Передача дегазированного раствора мономера в колбу (содержащего медь) и перемешивают в течение еще 15 мин, пока не наблюдается прозрачный коричневый раствор.
      5. Приложить иглы 2 мл шприца и промойте иглу и шприц с аргоном в 2-3 раза.
      6. Вывод решение 1 мл полимеризации с шприц и впрыснуть содержимое в небольшом реакционный сосуд, содержащий коллоидное зонд.
      7. Вывод оставшийся раствор в шприце и вводить содержимое в реакционный сосуд, содержащий плоские субстраты. Добавьте достаточно решения полностью погрузить каждого образца.
      8. Проведение полимеризации 40 часа при комнатной температуре.
      9. Репереместить образцы из полимеризационного раствора и промывают этанола и хлороформа в нескольких циклах. Окраска образца указывает на наличие кисти.
      10. И, наконец, сушат подложек в потоке азота.
      11. Хранить плоские подложки в коробке азота. Магазин полимер щетка модифицированы зондов в толуоле.
    2. SI-ATRP из PNIPAM 10
      1. Продувают колбу и флаконы, содержащий инициатор, покрытых субстратов (как Si и золото) и коллоидные зондов аргоном в течение 30 мин.
      2. Растворить 5,6 г N -isopropylacrylamide и 320 мкл PMDETA в среде ATRP (1,6 мл воды и 18 мл метанола) и дегазации раствора в течение 2 ч.
      3. Добавить 76 мг CuBr в колбу, снабженную магнитной мешалкой, и deoxygenize от 3 вакуумной Ar циклов обратной засыпки.
      4. Передача дегазированного раствора мономера в колбе, содержащей медь. Перемешивают в течение еще 15 мин, пока не будет отмечено четкое зеленый раствор.
      5. Приложить иглы 2 мл шприца и промойте иглу и шприц с аргоном в 2-3 раза.
      6. Вывод решение 1 мл полимеризации с шприц и впрыснуть содержимое в небольшом реакционный сосуд, содержащий коллоидное зонд. Повторите эти действия для всех зондов.
      7. Вывод оставшийся раствор с шприц и вводить содержимое в реакционную колбу, содержащую плоские подложки. Добавьте достаточно решения полностью погрузить каждого образца.
      8. Проведение полимеризации в течение 2 ч при комнатной температуре.
      9. Удалить образцы из раствора полимеризации и промыть этанола и воды через несколько циклов. Появляется цвет образца указывает на присутствие щетки.
      10. Погрузите образец в 0,1 М раствора ЭДТА и держать его в растворе O / N, чтобы удалить все меди. Промыть очищенной воды и этанола.
      11. Держите плоские подложки в коробке азота. Хранить PNIPAM кисти модифицированных зондов в очищенной воде.
  3. Кисть характеристика, инфракрасной Фурье (рис 3)
    ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте скользящего угла Режим ИК полимерных щеток на золотой подложке и передачи режиме НПВО для полимерных щеток на кремниевой подложке. Тщательно просушите все образцы. Любая вода и загрязнение растворителя может привести к серьезному повреждению детектора.
    1. Запуск оборудования в соответствии с инструкцией, предоставленной производителем.
    2. Установите следующие параметры для измерения образца: диапазон между 900 и 3700 см -1 с разрешением 4 см -1 и среднем 32 сканирований в каждом измерении.
    3. Очистите пустой подложки в соответствии с протоколом, используемым для подготовки проб, тщательно просушите и положите его в измерительной камере.
    4. Применить вакуум в течение 4 часов. Далее, записать фонового сканирования.
    5. Снимите контрольный образец и поместите сухой полимер кисти образец с покрытием в камеру для образца.
    6. Применить вакуум в SAMPLе камеры и записывать образца-SCAN каждые 30 мин в течение 5 часов.
    7. Определение всех пиков в спектрах для подтверждения химического состава полимера кисти. (Только анализировать сканирование с прямой линии.)

2. Измерение AFM

  1. Потрите PMMA кисти, покрытый субстрат тщательно с помощью иглы, промыть хорошим растворителем для удаления избытка полимера и высушить его.
  2. Установите образцов в АСМ инструмента и устанавливать зонд в жидкость клетки.
  3. Выравнивание лазер на конце кантилевера.
  4. При использовании камеры, совместите выше нуля чаевые.
  5. Прежде чем приступить к и привлечение наконечник, установите Размер сканирования 0 нм. Далее, участвовать наконечник на поверхность.
  6. Перейти к "Ramp режиме" и определить чувствительность отклонения через кривых расстояния силой. Калибровка нормальную жесткость пружины с помощью «тепловой мелодию", как реализованы в программном обеспечении и торсионную пружину постоянного OF кантилевера с использованием метода Вагнера и др. 25
    1. Захват кручение тепловой шум кантилевера на воздухе в течение 2 сек, используя высокоскоростную сбора данных в программном обеспечении (6,25 МГц).
    2. Преобразование тепловой шум в спектральной плотности мощности (V 2 / Гц) с помощью преобразования Фурье.
    3. Определить основного резонанса и добротность кантилевера в воздухе, используя резонансный пик в спектральной плотности мощности и уравнение для гармонического осциллятора включая базовые шума (экв. 2 РЭС. 25).
    4. Рассчитайте торсионную пружину постоянного пользования inplane размеры кантилевера (длина и ширина), плотность и вязкость окружающей среды (воздуха) и добротность и резонансную частоту, определенные в пункте 2.6.3, используя метод Sader 26.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Мы использовали инструмент, предусмотренный на сайте Джона Sader: www.ampc.ms.unimelb.edu.au/afm/calibration.html.
    5. Калифорнияlculate на кручение чувствительность угол отклонения кантилевера по формуле. 6 и 7 Ref. 25.
    6. Преобразование на кручение жесткость пружины и чувствительность отклонения в боковой пружины и отклонения чувствительности с использованием размера коллоида, толщины кантилевера и экв. 8 Реф. 25.
      Примечание: сигнал детектора теперь могут быть преобразованы в силу через: сила [Н] = боковая жесткость [Н / м] * боковое отклонение чувствительности [M / V] * сигнал детектора [В].
  7. Измерьте высоту кисти сухой щеткой по визуализации кисть в пустом по самой низкой возможной уставки отклонения. Определите высоту кисти с линейного сканирования захваченного изображения.
  8. Сольватировать кисть в ацетофеноном осторожно применять его на поверхность с помощью шприца.
    ПРИМЕЧАНИЕ: изменяется цвет образцов по мере испарения растворителя. Это позволяет следить за процессом сушки.
  9. Установите образец в АСМ. Совместите вертикальную лазерную сигнал-1,0 В. значение задается отклонения до 0 В и включите консоль и поверхность.
    Примечание: После чего кантилевер в контакте с поверхностью, ацетофенон переходит в кисти на коллоида, создавая капиллярную мост между зондом и поверхностью.
  10. Установите размер сканирования до 40 мкм, отключите медленного сканирования оси и установите соотношение сторон изображения 1: 4. Запишите высоту и каналы трения изображения (как трассировки и повторить).
  11. Когда изображения будут захвачены вывести кантилевера.
  12. Нанесите каплю воды на PNIPAM щетки, покрытой поверхности, чтобы сольватировать PNIPAM кисть.
  13. Поднимите голову и быстро заменить поверхность ПММА по сольватированном поверхности PNIPAM создать несмешивающегося системы. Быть быстрым при обмене поверхности, чтобы избежать испарения ацетофеноном из ПММА кистью на коллоидной зонда.
  14. Включите наконечник и поверхность, и записывать изображения с теми же параметрами, как ранее.

Результаты

Рисунок 4 показывает репрезентативные AFM силы следы при скольжении как совместимый и несмешивающихся полимерных систем кисти. Сила трения F нормирована силы трения в стабильном состоянии скольжения F SYM для симметричных, смешивается системы. Опухшие высота кисти в этих опытах 1010 нм для ПММА и 532 нм для PNIPAM. Силовые следы фиксируются в соответствии с процедурой, описанной в разделе протокола. В этих экспериментах поверхность была перенесена туда и обратно со скоростью V 80 мкм / сек при применении нормальной нагрузке 30 нн. Разница в силе трения для смешиваемом (слева) и несмешивающихся (правая панель) Кисть систем можно ясно наблюдать. Стационарное состояние сила трения в левой панели 90x выше, чем в стационарном состоянии силы трения в правой панели. Для несмешивающихся системы измеряется сила трения, как правило, 0,5-2% от силы трения измеренной Fили смешивается система. Хотя точная снижение трения зависит от плотности прививки, степень полимеризации, количества растворителя и (слабо) на нормальной нагрузке и скорости скольжения, это всегда вокруг двух порядков. Если мы увеличим скорость скольжения для системы, описанной выше на коэффициент 5 (до 400 мкм / сек), снижение трения уменьшается на 2%. Если мы увеличим нормальную нагрузку с коэффициентом 10 (до 300 NN), снижение трения уменьшается на 3%.

figure-results-1
Рисунок 1. Схематическое изображение установки. Левая панель показывает смешивающийся систему, где одни и те же полимеры привиты от поверхности и коллоида. Щетки сольватированы в однофазной жидкости. Правая панель показывает несмешивающегося систему из двух различных полимерных щеток. Каждый щетка сольватированные в своем предпочтительном жидкости. В традиционныхсмешивающиеся системы полимеры противоположных щеток перекрывают друг друга. Для несмешиваемой системы, напротив щетки не interdigitate такой, что трение и износ при скольжении снижается.

figure-results-2
Рисунок 2. Схематическое изображение способа приготовления образца, как это описано в разделе Protocols. Слева направо показана процедура подготовки щетки с помощью осаждения инициатора радикальной полимеризации и поверхность инициирован с переносом атома (ATRP СИ). Путь () описывает кисти, привитые от поверхности кремния, (B) Щетки, привитые от покрытых золотом кремниевых поверхностей и (С) щетки привитых от золотых коллоидов на атомно-силовой микроскопии зондов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть АльARGER версия этой фигуры.

figure-results-3
Рисунок 3. ИК-спектры ПММА (синий) и PNIPAM (зеленый) кисти на кремнии (толстые линии) и золота (тонкие линии). Данные были взяты из Suppl. Матем. РЭС. 22. ПММА волновые (см - 1): 3,050-2,990 (CH валентное колебание), 1730 C = O (двойная связь валентного колебания), 1450 (CH 3 и CH 2 деформационного колебания), 1,260-1,040 (COC одинарной связью валентных колебаний ), 880-960 (COC одинарной связью деформации вибрации). В 1730 см - 1 характеристика растяжения пик вибрации С = О-группы очевидно PNIPAM волновые (см -1): 3289 (NH симметричные и асимметричные валентных колебаний), 3078, 2971, 2933, 2874 (асимметричная и симметричная CH растяжения. вибрация в -CH <суб> 2 -), 1635 (С = O валентное колебание), 1535 (амид II), 1458 (CH асимметричные изгибные деформации), 1386 (CH симметричные деформации изгиба), 1,366-1,170 (CN асимметричные валентные колебания). В 1635 и 1535 см - 1 характеристических валентных колебаний пиков амидной группы являются очевидными.

figure-results-4
Рисунок 4. Усредненные, фильтруют и сглажены силы следы при скольжении смешивающийся (слева) и несмешивающихся (справа) системы (с поправкой из работы. 22). Поверхность перемещается вперед и назад 40 мкм в скан-частотой 1 Гц и нормальная нагрузка 30 нн.

Обсуждение

Представленные результаты показывают, что трение, для несмешивающихся систем по отдельности сольватированных щеток, сильно снижается по сравнению с традиционными системами смешивающихся два одних и тех же сольватированных щеток. Предпочтительным поглощение различных растворителей в двух щеток предотвращает кисти из interdigitating и, следовательно, основным источником износа и отвода в полимер кисти трения устранены. Представленный метод Поэтому принципиально отличается от скольжения сухого гидрофильную на гидрофобных щеток, где трение будет определяться кисти-специфическими взаимодействиями 27. На самом деле, по стрижке ПММА на PNIPAM (рухнул высота 166 нм) без растворителей, мы обнаружили, что трение на 50% выше по сравнению с сухой ПММА ПММА (рухнул высота 236 м).

Как уже отмечалось в ближайшее время в примечаниях к разделу "Протокола", есть несколько важных моментов, которые необходимо иметь в виду при выполненииименно эти эксперименты: Во-первых, ацетофеноном лучшим растворителем для PNIPAM, чем вода. Таким образом, следует позаботиться о том, что этиловый не входит в PNIPAM кисть путем смачивания PNIPAM кисть с большим количеством воды. Так этиловый и вода не смешиваются, этиловый теперь не входят в PNIPAM кисть. Вот почему мы не погружать нашу систему полностью ацетофеноном, но вместо этого создал ацетофенона капилляр для смешиваемом системы. Другая причина неполного погружения является то, что полное погружение приводит к слишком сильным гидродинамики, так что мы только измерил сопротивление Стокса на коллоидной и консоли. Во-вторых, в АСМ экспериментов в сочетании торсионные и нормальные весенние константы. Кронштейны с низким нормальной постоянной пружины также имеют относительно низкую кручение жесткость пружины, и наоборот. Это ограничивает низкий коэффициент измеримое трения на> 10 -3. Таким образом, для того чтобы измерить полное уменьшение трения, трение для МОCible система должна быть высокой. Это достигается за счет использования длинных щетки с высокой плотностью и относительно высокую скорость сдвига обычно 100 м / сек. Кроме того, капиллярная между щетками и увеличивает силы трения. Мы измерили низкий коэффициент трения, несмешиваемой системы 22, из μ = 0,003 при ориентировочной нормального напряжения 200 кПа. Используя те же условия эксперимента, мы обнаружили, что μ = 0,15 для смешиваемом системы.

Следует отметить, что эксперименты проводились в контролируемых лабораторных условиях и что поверхности, используемые в промышленности, не столь идеальным, как используется в представленных экспериментах. Большинство поверхностей имеют неравномерное распределение шероховатости 28 и поэтому многие неровности различной формы и размеров. Во время столкновения двух щеток, несущих неровностей, трения состоит из различных каналов диссипации 29. Рядом с стационарном состоянии механизмов диссипации, такие как interdigitaции и поток растворителя, будет гистерезисные эффекты в виде 30 из-за медленной релаксации полимеров и растворителя. Кроме того, капилляры возникали и распадались. В традиционно используемых систем смешивается кисти, переходные разобщение 31 усиливает shape- и капилляров гистерезис. С несмешиваемой системы, представленной здесь, переходные разобщение устраняется тоже. Кроме того, капиллярного гистерезиса можно обойти путем применения двух несмешивающихся растворителей. Поэтому, а также для более общего шероховатых поверхностей, трения и износа будет уменьшить, используя не смешивается кисти систем 22. Основным источником трения, который остается деформация кисти. Закрепление polyzwitterionic полимеры, которые известны своей внутренней низким трением 32, на одну из поверхностей может свести к минимуму последнего. В таких системах осмотическое давление растворителя является высокой, в результате чего небольшой кистью деформации при высоких нормальных нагрузок.

Предложенный способ несмешивающихся систем щетка может быть применен практически в любой системе, где низкий коэффициент трения является желательным. Метод хорошо работает при высоких давлениях. Тем не менее, следует соблюдать осторожность, чтобы температура поддерживается примерно комнатной температуре. Высокие температуры повредить полимеры, которые будут вызывать жидкого потока из контакта и, следовательно, с высоким коэффициентом трения. Примеры возможного применения являются: шприцы, поршневые системы, осевых подшипников и петли.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Мы благодарим М. Hempenius и Е. Benetti за плодотворные дискуссии, Ю. Ю. на тщательный контроль рецепт, М. Vlot для проектирования изображения на рис 1, К. Падберг и К. Смит за техническую поддержку. EK признает Нидерландская организация по научным исследованиям (NWO, топ Грант 700.56.322, высокомолекулярных технологий с Стимул Отзывчивый Полимеры) за финансовую поддержку. SDB была поддержана Фондом фундаментальных исследований вещества (FOM), который при финансовой поддержке Нидерландской организации научных исследований (NWO).

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
МетилметакрилатSigma-AldrichM55909 Мономер для синтеза ПММА, очищенный прессованием через основную колонну из оксида алюминия
(3-аминопропил)триэтоксисиланSigma-Aldrich440140осаждение паров силана монослой
триэтиламинаSigma-AldrichT0886Реагент для инициирования группы ATRP.
2-бром-2-метилпропионилСигма-Олдрич252271АТФ инициирующая группа.
толуолBiosolve20150501Связующая среда для группы ATRP
CuBrSigma-Aldrich212865катализатора ATRP.
2,2′-BipyridylSigma-Aldrich14453Cu комплексообразующий лиганд для ATRP MMA
N,N,N′,N",N",N",-PentamethyldiethylenetriamineSigma-Aldrich369497Cu комплексообразующий лиганд для ATRP NIPAM
уксусной кислоты 98-100%Merck8187551000Для очистки CuBr.
Серная кислотаSigma-Aldrich320501Для приготовления раствора пираньи
Перекись водорода 33%Merck1.07210.1000Для приготовления раствора пираньи
ЭтанолMerck1.00983.1000Для очистки подложек.
Оксид алюминия основной 60 MerckДля очистки мономеров.
ХлороформBiosolve3080501Для однослойного осаждения и очистки подложки.
МетанолBiosolve13680501Для полимеризационной среды.
АцетофенонAcros Organics102410010для среды измерения АСМ.
N-изопропилакриламидAcros Organics412780250Мономер для синтеза ПНИПАМ, перекристаллизованный из толуола/гексана
поли(этиленгликоль) метакрилата Sigma-Aldrich409529Мономер для синтеза Si-POEGMA, очищенный прессованием через основную колонну из оксида алюминия.
Система очистки водыMilliQ Advantage A 10 Среда ATRP, среда измерения АСМ и для очистки подложки.
Силиконовые подложки 
Подложки
АСМ зонд, CP-FM-AuSQubeAFM измерение
[header]
dithiodiundecane-11,1-diybis[2-bromo-2-methlpropanoate] (DTPR)Инициатор, для Si-ATRP на золотых поверхностях.
Синтезирован в соответствии с Macromolecules, 33, 597-605 (2000).
Микроскоп Atomic FrorceBruker Multimode V контроллер
с золотым покрытием

Ссылки

  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).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

PNIPAM

Похожие статьи