Abstract
Solvatiserte polymer børster er også kjent for å smøre høytrykks kontakter, fordi de kan opprettholde en positiv normal belastning, samtidig lav friksjon ved grenseflaten. Likevel kan disse systemene være følsomme for slitasje på grunn av interdigitasjon av de motstående børster. I en nylig publikasjon, har vi vist via molekylære dynamikksimuleringer og atomkraftmikroskopi eksperimenter at ved hjelp av en ikke-blandbar polymer børstesystemet terminerer substratet og glider flater, henholdsvis, kan eliminere slike interdigitasjon. Som en konsekvens, slitasje på kontaktene blir redusert. Videre er to størrelsesordener lavere enn i tradisjonelle blandbar polymerbørstesystemer friksjonskraften. Dette nylig foreslåtte systemet har derfor et stort potensial for bruk i industrien. Herfra til metoden konstruere en ikke-blandbar polymer børstesystem av to forskjellige børster hver solvatiserte av sin egen foretrukket oppløsningsmiddel er presentert. Prosedyren hvordan å pode poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) fra en flat overflate, og poly (metylmetakrylat) (PMMA) fra et atomkraftmikroskopi (AFM) kolloidalt probe er beskrevet. PNIPAM er oppløst i vann og PMMA i acetophenone. Via friksjonskraft AFM-målinger, er det vist at friksjonen for dette systemet blir faktisk redusert med to størrelsesordener i forhold til blandbare system av PMMA PMMA på solvatisert i acetofenon.
Introduction
Perfekt smøremidler reduserer friksjon og slitasje for faste stoffer i relativ bevegelse selv når normale belastninger er høye. For å oppnå dette, bør smøremidlet forblir i kontakt under glidende og i ro. Imidlertid, under et positivt normal belastning, enkle, tyntflytende væsker som blir raskt presset ut av kontaktområdet, og enda høyere viskositet oljer er utvist til slutt. Likevel, biologiske kontakter, f.eks, i humane ledd, forblir smurt med lav viskositet væsker til enhver tid. Natur innser slik effektiv smøring ved hjelp sukkerkjeder knyttet til faste overflater 1. De hydrofile sukkerkjeder holde en vandig væske i kontakt, forutsatt at den normalt trykk ikke overskrider det osmotiske trykk av oppløsningsmidlet 2. Derfor har mye arbeid vært rettet mot ligne biologiske smøremidler av pode polymerer til faste overflater danner såkalte polymer børster 3-12.
Når to motstridende polymerbørstene bringes i kontakt, kan segmenter av polymerkjedene på den ene siden går inn i børstekjedesegmenter ved den motsatte side. Denne effekten kalles interdigitasjon 13. Når børstene er i relativ glidende bevegelse, er interdigitasjon den viktigste kilden til slitasje 14 og friksjon 15-17. Faktisk nylig, friksjon-velocity relasjoner for skyve polymer børster har blitt utledet 18. Disse dimensjoneringsreglene er basert på interdigitasjon og den påfølgende strekking og bøying av polymerene ved glidning. De viktigste egenskapene er enig med resultatene av overflatekrefter apparater eksperimenter 19 og molekyldynamikk (MD) simuleringer 20. I det sistnevnte graden av overlapping kan være direkte kvantifisert. Videre ble det vist at overlappingen mellom polyelektrolyttkomplekser børster kan være innstilt ved å bruke et elektrisk felt 21. Hvis således interdigitasjon kan omgås, friksjon og slitasje i disse systemer ville være significantly redusert.
I en fersk publikasjon 22 har vi vist via MD simuleringer at to ikke-bland solvaterte polymer børste systemer hindre overlapping mellom børstene. Videre, ved å skyve børstene, fant vi en reduksjon av friksjon kraft av to størrelsesordener i forhold til de tradisjonelle blandpensel systemer, i godt samarbeid med vår atomic force mikroskopi (AFM) målinger. Her, vi forklare i detalj hvordan du setter opp AFM eksperimenter av Ref. 22. Den grunnleggende prinsipp er skissert i figur 1. På de to mot-flater, to forskjellige børster, som hver solvatisert av sin egen foretrukne oppløsningsmidlet, er nødvendig. I denne konfigurasjonen hver børste forblir i sitt eget løsemiddel. Følgelig må polymersegmenter fra en børste ikke trenge inn i den annen børste. Poly (metylmetakrylat) (PMMA) er podet fra en AFM kolloidal probe og børsten er solvatisert av acetofenon. Fra flatt underlag poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) er podet og oppløst i vann. For å sammenligne den foreliggende system til tradisjonelle blandsystemer, blir et andre flatt mot overflaten som bærer en børste PMMA solvatisert i acetofenon laget. Den målte friksjonskraft ved å skyve den ikke-blandbare system av PMMA på PNIPAM er omtrent 1% av friksjon for blandbart system av PMMA på PMMA. Legg merke til at bruken av disse spesielle børstesystemer er bare ett eksempel. Den presenterte fremgangsmåte er generisk og virker på grunn av den foretrukne absorbans av oppløsningsmidlene i de forskjellige børster. Derfor er flere typer av børster forventet å være anvendelig så lenge de valgte løsningsmidler DE-blanding i de to børster. Effekten forsterkes ved hjelp av to ikke-blandeløsningsmidler (som acetofenon og vann), slik at en ekstra glatte fluid-on-væske-grensesnittet skyve opprettes 22,23.
Protocol
MERK: Figur 2 viser prøveprepareringsprosedyren. Polymer børster ble podet fra silisium (Si) substrater (bane (a)), fra gull-belagte substrater (100 nm gull inndampet på Si wafer med en 10 nm Cr klebesjikt, banen (b)), og fra kolloidale gull AFM prober (6 mikrometer diameter, banen (c)) initiert ved overflaten atom-transfer-radikal polymerisasjon (SI-ATRP) 24. AFM-målinger ble utført på en Multimode AFM med lav støy hode, vertikal inngrep scanner og et flytende celle.
1. Prøvepreparering
- Forbehandling
- Initiativtaker avsetning på silisium overflater.
- Rens silisiumsubstrater med kloroform, deretter piraja løsning, deretter skylles med renset vann, etanol og kloroform.
- Plasser de tørre substrater i en eksikator rundt et hetteglass inneholdende 50 ul (3-aminopropyl) trietoksysilan.
- Evakuere eksikkator viddha roterende vingepumpe for 15 min og lukke den senere. Tillate damp deponering å fortsette O / N.
- Forbered en løsning av 40 ml toluen (avgasset) og 40 pl triethylamin i en Erlenmeyerkolbe.
- Plasser underlag i kolben og drop-messig legge 40 mL 2-brom-2-metylpropionyl. Holde substratene i løsningen, for å unngå avsetning av saltkrystaller som dannes i oppløsningen.
- Rør løsningen for 4 timer.
- Skyll substrater med toluen og etanol. Deretter plasserer de substrater til polymerisasjonsforsøkene ampuller.
- Initiativtaker avsetning på gulloverflater
- Forbered et monolag løsning: oppløses 2-brom-2-metyl-propionsyre-11- [11- (2-brom-2-metyl-propionyloksy) -undecyldisulfanyl] -undecyl ester i 20 ml avgasset kloroform (0,2 mM).
- Transfer ca. 1,5 ml monolag oppløsning i en liten ampulle som tidligere ble spylt med argon.
- Rense gullbelagt substrater med kloroform ogpiraja løsning. Deretter skylles med renset vann, etanol og kloroform.
- Fordype de rensede substrater til den monolayer-løsning og lukk kolben. Butikk O / N på et mørkt sted.
- Rengjøre gull kolloidale prober med etanol og kloroform ved å dyppe dem i løsemidler.
- Fordype kolloidale sonder inn i hetteglasset med mono løsning. Lukk det godt og oppbevar den på et mørkt sted O / N.
- Fjern substratene fra oppløsningen, vaskes med kloroform og etanol. Deretter overfører initiator belagte substrater til polymerisering kolbe.
- Fjern de kolloidale prober fra monolag-oppløsning, vaskes med kloroform og etanol. Deretter overfører hver sonde separat inn i polymeriseringen ampulle.
- Initiativtaker avsetning på silisium overflater.
- Polymerisasjon
- SI-ATRP av PMMA
- Purge kolben og ampuller, inneholdende initiator-dekket substrater (både Si og gull) og de kolloidale prober med Argpå 30 min.
- Oppløs 10 g metyl-metakrylat (MMA) i ATRP medium (10 ml metanol / vann-blanding med forholdet 5: 1) og avgasse løsningen i 2 timer.
- Legg 145 mg CuBr og 320 mg 2,2-bipyridin i en kolbe utstyrt med en magnetisk rørestav, og deoxygenize av tre vakuum-Ar tilbakefylling sykluser.
- Overfør avgasset monomerløsning i kolben (inneholdende kobber) og omrør i ytterligere 15 minutter inntil en klar brun oppløsning er observert.
- Fest en nål til en 2 ml sprøyte og skylle nålen og sprøyten med argon 2-3 ganger.
- Uttak 1 ml polymerisasjon løsning med sprøyten og injisere innholdet i det lille reaksjonsglasset, inneholdende kolloid probe.
- Trekke den gjenværende oppløsning med sprøyten og injisere innholdet i reaksjonsglasset, inneholdende de flate substrater. Legg nok løsning for å senke hver prøve helt.
- Gjennomføre polymeriseringen i 40 timer ved romtemperatur.
- Rebevege prøvene fra polymerisasjon løsningen og vask med etanol og kloroform i flere sykluser. Farging av prøven indikerer nærværet av børsten.
- Til slutt tørkes de substrater under en strøm av nitrogen.
- Hold flate underlag i en nitrogen-boksen. Butikk polymer børste modifisert sonder i toluen.
- SI-ATRP av PNIPAM 10
- Purge kolben og ampuller, inneholdende initiator-dekket substrater (både Si og gull) og kolloid prober med argon i 30 min.
- Oppløs 5,6 g N -isopropylacrylamide og 320 ul PMDETA i ATRP medium (1,6 ml vann og 18 ml metanol), og avgasse løsningen i 2 timer.
- Legg 76 mg CuBr i en kolbe utstyrt med en magnetisk rørestav, og deoxygenize av tre vakuum-Ar tilbakefylling sykluser.
- Overfør avgasset monomerløsning i kolben som inneholder kobber. Omrør i ytterligere 15 minutter inntil en klar grønn oppløsning er observert. Fest en nål til en 2 ml sprøyte og skylle nålen og sprøyten med argon 2-3 ganger.
- Uttak 1 ml polymerisasjon løsning med sprøyten og injisere innholdet i det lille reaksjonsglasset, inneholdende kolloid probe. Gjenta for alle sonder.
- Trekke den gjenværende oppløsning med sprøyten og injisere innholdet i reaksjonskolben, som inneholder de flate substrater. Legg nok løsning for å senke hver prøve helt.
- Gjennomføre polymeriseringen i 2 timer ved RT.
- Fjerne prøvene fra polymerisasjonen løsningen og vask med etanol og vann gjennom flere sykluser. Det vises farge av prøven indikerer nærværet av børsten.
- Dyppe prøven i 0,1 M EDTA-løsning og holde det i oppløsning O / N for å fjerne alt kobber. Vask med renset vann og etanol.
- Hold de flate underlag i en nitrogen-boksen. Oppbevar PNIPAM pensel modifiserte sonder i renset vann.
- SI-ATRP av PMMA
- Børste karakterisering, Fourier Transform Infrared (figur 3)
MERK: Bruk beite-vinkel FTIR modus for polymer børster på gull underlaget og overføring FTIR modus for polymer børster på Si underlaget. Tørk alle prøvene nøye. Enhver vann og væske forurensning kan forårsake alvorlig skade på detektoren.- Starte opp utstyret i henhold til bruksanvisningen gitt av produsenten.
- Angi følgende parametere for prøvemåling: range mellom 900 og 3700 cm -1 med en oppløsning på 4 cm -1 og gjennomsnittlig 32 skanninger i hver måling.
- Rengjøre en blank underlaget i henhold til protokollen som brukes for prøveopparbeidelse, tørke forsiktig og legg den til målekammeret.
- Anvend vakuum i 4 timer. Neste, ta en bakgrunnsskanning.
- Fjern blindprøven og plassere den tørre polymer børsten belagt prøve i prøvekammeret.
- Påfør vakuum i sample kammer og spille inn en sample-scan hvert 30 min for 5 timer.
- Identifisere alle topper i spektrene for å bekrefte den kjemiske sammensetningen av polymeren børsten. (Kun analysere skanninger med en rett baseline.)
2. AFM Måling
- Skrap på PMMA børsten dekket substrat forsiktig med en nål, skyll med et godt løsningsmiddel for å fjerne overskudd av polymer og tørker den.
- Montere prøvene inn i AFM instrument og montere sonden inn i væsken cellen.
- Rett laseren på slutten av cantilever.
- Med bruk av kameraet, justere spissen over en skramme.
- Før nærmer seg og engasjere spissen, sette skannestørrelse 0 nm. Deretter engasjere spissen til overflaten.
- Gå til "ramp mode 'og bestemme nedbøyning følsomhet via kraft avstand kurver. Kalibrere normal fjærkonstant ved hjelp av "termisk tune" som implementert i programvare og torsjonsfjærkonstanten of cantilever ved hjelp av fremgangsmåten til Wagner et al. 25
- Fange vridnings termisk støy av cantilever i luften for 2 sek med høy hastighet datafangst i programvaren (6,25 MHz).
- Omdanne den termiske støy i strøm spektral tetthet (V 2 / Hz) ved hjelp av Fourier Transform.
- Bestemme den grunnleggende resonans og kvalitetsfaktoren av braket i luft ved hjelp av resonanstoppen i den spektrale effekttetthet og ligningen for en enkel harmonisk oscillator med utgangsstøy (ekv. 2 av Ref. 25).
- Beregn torsjonsfjærkonstanten hjelp av inplane dimensjoner av cantilever (lengde og bredde), tetthet og viskositet av det omgivende medium (luft) og kvalitetsfaktoren og resonansfrekvens er bestemt i trinn 2.6.3 hjelp av fremgangsmåten ifølge Sader 26.
MERK: Vi brukte verktøyet som følger med på nettsiden til John Sader: www.ampc.ms.unimelb.edu.au/afm/calibration.html. - Calculate vridningsvinkel deflection følsomheten til cantilever bruker eq. 6 og 7 Ref. 25.
- Konverter torsjonsfjærkonstanten og avbøyning følsomhet i den laterale fjærkonstant og avbøyning følsomhet ved hjelp av størrelsen på kolloid, tykkelsen av det frittbærende og ekv. 8 av Ref. 25.
MERK: detektorsignalet kan nå omdannes til en kraft via: kraft [N] = lateral fjærkonstant [N / m] * sidebøyning følsomhet [m / V] * detektorsignalet [V].
- Mål børste høyden på tørr børste av tenkelig penselen i en ripe på lavest mulig nedbøyning verdien. Bestem børste høyde fra line-skanninger av bildet.
- Solvat børsten i acetofenon ved forsiktig påføring av det på overflaten med en sprøyte.
MERK: Fargen på prøve endringer som løsemiddel fordamper. Dette gir mulighet for å følge tørkeprosessen. - Monter prøven til AFM. Juster vertikal laser signal til-1,0 V. Sett deflection nominell verdi til 0 V og engasjere cantilever og overflate.
MERK: Etter å bringe cantilever i kontakt med overflaten, beveger acetofenon i penselen på kolloid skape en kapillær bro mellom spissen og overflaten. - Sette skannestørrelsen til 40 mikrometer, deaktivere den langsomme skanne økser og sette bildesideforhold til 1: 4. Spill høyden og friksjon bilde kanaler (både spor og spore).
- Når bildene er tatt trekke cantilever.
- Påføre en dråpe vann på PNIPAM børstebelagt overflate, for å solvatisere PNIPAM børste.
- Løfte hodet og raskt erstatte PMMA overflaten av solvatisert PNIPAM overflaten for å opprette den ikke-blandbart system. Være rask ved utveksling av overflatene, for å unngå fordampning av acetofenon fra PMMA børste på den kolloidale probe.
- Engasjere spissen og overflate, og ta bilder med samme parametrene som tidligere.
Representative Results
Figur 4 viser representative AFM styrke spor ved å skyve både blandbare og ikke-blandbare polymer børstesystemer. Friksjonskraften F er normalisert med friksjonskraften ved stabil tilstand skyve F sym for den symmetriske, blandbare system. Hovne børste høyde i disse forsøkene var 1010 nm for PMMA og 532 nm for PNIPAM. Kraft spor er tatt til fange etter å følge prosedyren beskrevet i protokollen delen. I disse forsøk overflaten ble beveget frem og tilbake med en hastighet v på 80 um / sek, mens påføring av en normal belastning på 30 nN. Forskjellen i friksjonskraft for den bland (venstre panel) og ikke-bland (høyre panel) pensel systemer kan observeres tydelig. Steady state friksjonskraft i det venstre panelet er 90x høyere enn steady state friksjon kraft i høyre panel. For den ikke-blandbare system den målte friksjonskraft er vanligvis 0,5-2% av den friksjonskraft målt feller blandbart system. Selv om den nøyaktige friksjonsreduksjon avhenger av pode tetthet, graden av polymerisering, mengden av løsningsmiddel, og (svakt) på normal belastning og glidehastigheten, er det alltid omkring to størrelsesordener. Dersom vi øker glidehastigheten for systemet som er beskrevet ovenfor med en faktor 5 (til 400 pm / sek), reduksjon friksjonen avtar med 2%. Dersom vi øker den normale belastning med en faktor 10 (300 nN), reduksjon friksjonen avtar med 3%.
Figur 1. Skjematisk skisse av oppsettet. Venstre panel viser blandbart system, hvor de samme polymerer er podet fra overflaten og kolloid. Børstene er solvatisert i et én-fasevæske. Høyre panel viser blandbare system av to ulike polymer børster. Hver børste er oppløst i sin egen foretrukne væske. I tradisjonellblandbare systemer polymerene i de motstående børster overlapper hverandre. For den ikke-blandbare system, har motstående børster ikke interdigitate slik at friksjon og slitasje ved glidning reduseres.
Figur 2. Skjematisk tegning av prøveprepareringsfremgangsmåten som er beskrevet i protokollene delen. Fra venstre til høyre viser fremgangsmåten i børste preparat via initiator avsetning og overflate initiert atom overføring radikalpolymerisering (SI ATRP). Path (A) beskriver børster podet fra silisium overflater, (B) børster podet fra gullbelagt silisium overflater og (C) børster podet fra gullkolloider på atomkraftmikroskopi sonder. Klikk her for å se alArger versjon av denne figuren.
Figur 3. FTIR-spektra av PMMA (blå) og PNIPAM (grønn) børster på silisium (tykke linjer) og gull (tynne linjer). Dataene ble tatt fra Suppl. Mat. av Ref. 22. PMMA bølgetall (cm - 1): 3,050-2,990 (CH strekker vibrasjon), 1730 C = O (dobbeltbinding strekker vibrasjon), 1450 (CH 3 og CH 2 deformasjon vibrasjon), 1,260-1,040 (COC enkeltbinding strekker vibrasjons ), 880-960 (COC enkeltbinding deformasjon vibrasjon). Ved 1730 cm - en karakteristisk strekking vibrasjons topp av C = O-gruppen er tydelig PNIPAM bølgetall (cm -1): 3289 (NH symmetriske og asymmetriske strekker vibrasjons), 3078, 2971, 2933, 2874 (CH asymmetrisk og symmetrisk strekk. vibrasjon i -CH <sub> 2 -), 1635 (C = O strekk vibrasjon), 1535 (amid II), 1458 (CH asymmetriske bøying deformasjon), 1386 (CH symmetriske bøye deformasjoner), 1,366-1,170 (CN asymmetriske strekker vibrasjoner). På 1635 og 1535 cm - en de karakteristiske strekker vibrasjons toppene amidgruppen er tydelige.
Figur 4. Average, filtrert og glattet force spor ved å skyve bland (til venstre) og ikke-bland (høyre) systemer (justert fra Ref. 22). Er Overflaten flyttes frem og tilbake med 40 mikrometer ved en scan-hastighet på 1 Hz og normal belastning på 30 Nn.
Discussion
De presenterte resultater viser at friksjonen, for ikke-blandbare systemer av individuelt solvatiserte børster, er sterkt redusert sammenlignet med tradisjonelle blandbare systemer av to av de samme solvaterte børster. Den foretrukne absorbans av de forskjellige løsningsmidler i de to børstene forhindrer at børsten fra i hverandre og følgelig en hovedkilde for slitasje og energitap i polymer børste friksjon elimineres. Den presenterte fremgangsmåten er derfor fundamentalt forskjellig fra å gli tørr hydrofil på hydrofobe børster, der friksjonen vil bli bestemt av børste-spesifikke interaksjoner 27. Faktisk, etter klipping PMMA på PNIPAM (kollapset høyde 166 nm) uten løsemidler, fant vi at friksjonen var 50% høyere i forhold til tørk PMMA på PMMA (kollapset høyde 236 m).
Som allerede påpekt kort tid i notene av "Protokoll" delen, er det et par viktige punkter som må holdes i bakhodet mens du utførerdisse spesielle eksperimenter: For det første er acetofenon et bedre oppløsningsmiddel for PNIPAM enn vann. Derfor bør man være forsiktig at acetofenon ikke trenger inn i PNIPAM pensel ved å fukte PNIPAM pensel med mye vann. Siden acetofenon og vann ikke blander, vil acetofenon nå ikke gå inn i PNIPAM børste. Det er derfor vi ikke vårt system fordype helt i acetophenone, men i stedet opprettet en acetofenon kapillær for hhv system. En annen årsak til ufullstendig nedsenking er at fullstendig nedsenking resulterer i altfor sterk hydrodynamikk, slik at vi bare målte Stokes dra på kolloid og cantilever. Dernest, i AFM eksperimenter tors- og normale fjærkonstanter er kombinert. Bommer med et lavt normalt fjærkonstant vil også ha et forholdsvis lavt vridningsfjærkonstant, og vice versa. Dette begrenser laveste målbare friksjonskoeffisienten til> 10 -3. Således, for å måle den fulle friksjonsreduksjon, friksjonen for miscible systemet må være høy. Dette oppnås ved hjelp av lange høy tetthet børster og en forholdsvis høy skjærhastighet på typisk 100 m / sek. Videre kapillaren mellom børstene øker også friksjonskreftene. Vi målte den laveste friksjonskoeffisienten, for en ublandbar system 22 av μ = 0,003 under en antatt normal stress på 200 kPa. Bruke samme eksperimentelle forhold, fant vi at μ = 0,15 for hhv system.
Legg merke til at forsøkene ble utført i et kontrollert laboratoriemiljø, og at flater som brukes i industrien ikke er så ideell som anvendes i de presenterte eksperimenter. De fleste overflater har en ikke-uniform grovhet fordeling 28 og dermed mange ujevnheter i forskjellige former og størrelser. Under en kollisjon mellom to børstebærende ujevnheter, blir friksjonen sammensatt av forskjellige ødsling kanaler 29. Ved siden av steady-state ødsling mekanismer, som for eksempel interdigitaring og oppløsningsmiddel strømning, vil det være hysteresiske effekter i form 30 på grunn av den langsomme relaksasjonstiden av de polymerer og oppløsningsmiddel. Dessuten er kapillærene dannet og brutt. I de tradisjonelt brukt blandbar pensel systemer, forbigående interdigitasjon 31 forsterker form-og kapillær hysterese. Med blandbare systemet presenteres her, er forbigående interdigitasjon elimineres også. Videre kan kapillær hysterese omgås ved anvendelse av to ikke-blandbare oppløsningsmidler. Derfor, også for den mer vanlige grove overflater, friksjon og slitasje vil bli redusert ved hjelp av ikke-blandbare børstesystemer 22. Den viktigste kilden til friksjon som gjenstår er børste deformasjon. Forankring polyzwitterionic polymerer, som er kjent for sin iboende lav friksjon 32, på en av overflatene kan minimalisere den sistnevnte. I slike systemer er det osmotiske trykk av det løsningsmiddel er høy resulterer i liten børste deformasjon under høye normale belastninger.
Denpresenterte fremgangsmåte for ikke-blandbare børstesystemer kan anvendes på nesten hvilken som helst system hvor lav friksjon er ønskelig. Den metoden fungerer godt under høye trykk. Imidlertid bør man passe på at temperaturen holdes rundt RT. Høye temperaturer skade polymerer som vil forårsake væskestrømmen ut av kontakt og følgelig høy friksjon. Eksempler på potensielle søknaden er: sprøyter, stempelsystemer, aksel lagre og hengsler.
Acknowledgments
Vi takker M. Hempenius og E. Benetti for fruktbare diskusjoner, Y. Yu for nøye kontroller av oppskriften, M. Vlot for bildet utformingen av figur 1, C. Padberg og K. Smit for teknisk støtte. EK erkjenner nederlandske organisasjonen for Scientific Research (NWO, TOP Grant 700.56.322, Macromolecular Nanoteknologi med Stimulus Responsive Polymers) for økonomisk støtte. SdB har vært støttet av Stiftelsen for Grunnforskning på Matter (FOM), som er støttet av den nederlandske organisasjonen for Scientific Research (NWO).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Methyl methacrylate | Sigma-Aldrich | M55909 | Monomer for PMMA synthesis, cleaned by pressing through a basic alumina column |
| (3-aminopropyl)triethoxysilane | Sigma-Aldrich | 440140 | vapor deposited silane monolayer |
| triethylamine | Sigma-Aldrich | T0886 | Reagent for the ATRP initiator moiety coupling. |
| 2-bromo-2-methylpropionyl | Sigma-Aldrich | 252271 | ATRP initiator moiety. |
| toluene | Biosolve | 20150501 | Coupling medium for ATRP moiety |
| CuBr | Sigma-Aldrich | 212865 | ATRP catalyst. |
| 2,2′-Bipyridyl | Sigma-Aldrich | 14453 | Cu complexing ligand for ATRP of MMA |
| N,N,N′,N",N"-Pentamethyldiethylenetriamine | Sigma-Aldrich | 369497 | Cu complexing ligand for ATRP of NIPAM |
| acetic acid 98-100% | Merck | 8187551000 | For cleaning CuBr. |
| Sulfuric acid | Sigma-Aldrich | 320501 | For the preparation of Piranha solution |
| Hydrogen peroxide 33% | Merck | 1.07210.1000 | For the preparation of Piranha solution |
| Ethanol | Merck | 1.00983.1000 | For cleaning substrates. |
| Basic aluminum oxide 60 | Merck | For cleaning monomers. | |
| Chloroform | Biosolve | 3080501 | For monolayer deposition and substrate cleaning. |
| Methanol | Biosolve | 13680501 | For polymerization medium. |
| Acetophenone | Acros Organics | 102410010 | For AFM measurement environment. |
| N-isopropyl acrylamide | Acros Organics | 412780250 | Monomer for PNIPAM synthesis, recrystallized from toluene/hexane |
| Poly(ethylene glycol) methacrylate | Sigma-Aldrich | 409529 | Monomer for Si-POEGMA synthesis, cleaned by pressing through a basic alumina column. |
| MilliQ water | MilliQ Advantage A 10 purification system | ATRP medium, AFM measurement environment and for substrate cleaning. | |
| Silicon substrates | |||
| Gold coated substrates | |||
| AFM probe, CP-FM-Au | SQube | AFM measurement |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| dithiodiundecane-11,1-diybis[2-bromo-2-methlpropanoate] (DTPR) | Initiator, for Si-ATRP on gold surfaces. Synthesized according to Macromolecules, 33, 597-605 (2000). |
||
| Atomic Frorce Microscope | Bruker Multimode V controller |
References
- Lee, S., Spencer, N. D. Materials science - Sweet, hairy, soft, and slippery. Science. 319, 575-576 (2008).
- Milner, S. T., Witten, T. A., Cates, M. E. Theory of the Grafted Polymer Brush. Macromolecules. 21, 2610-2619 (1988).
- 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).
- Raviv, U., et al. Lubrication by charged polymers. Nature. 425, 163-165 (2003).
- Moro, T., et al. Surface grafting of artificial joints with a biocompatible polymer for preventing periprosthetic osteolysis. Nat Mater. 3, 829-836 (2004).
- Bureau, L., Leger, L. Sliding friction at a rubber/brush interface. Langmuir. 20, 4523-4529 (2004).
- 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).
- Kobayashi, M., et al. Friction behavior of high-density poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine) brush in aqueous media. Soft Matter. 3, 740-746 (2007).
- 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).
- 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).
- Li, A., et al. Covalently Cross-Linked Hydrogel Brushes with Tunable Interfacial and Bulk Properties. Macromolecules. 44, 5344-5351 (2011).
- 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).
- 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).
- Maeda, N., Chen, N. H., Tirrell, M., Israelachvili, J. N. Adhesion and friction mechanisms of polymer-on-polymer surfaces. Science. 297, 379-382 (2002).
- Klein, J. Shear, friction, and lubrication forces between polymer-bearing surfaces. Annu Rev Mater Sci. 26, 581-612 (1996).
- Leger, L., Raphael, E., Hervet, H. Surface-anchored polymer chains: Their role in adhesion and friction. Adv Polym Sci. 138, 185-225 (1999).
- Binder, K., Kreer, T., Milchev, A. Polymer brushes under flow and in other out-of-equilibrium conditions. Soft Matter. 7, 7159-7172 (2011).
- Galuschko, A., et al. Frictional Forces between Strongly Compressed, Nonentangled Polymer Brushes: Molecular Dynamics Simulations and Scaling Theory. Langmuir. 26, 6418-6429 (2010).
- Spirin, L., et al. Polymer-brush lubrication in the limit of strong compression. Eur Phys J E. 33, 307-311 (2010).
- 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).
- Drummond, C. Electric-Field-Induced Friction Reduction and Control. Phys Rev Lett. 109, 154302 (2012).
- 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).
- Wong, T. S., et al. Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity. Nature. 477, 443-447 (2011).
- Matyjaszewski, K., Xia, J. H. Atom transfer radical polymerization. Chem Rev. 101, 2921-2990 (2001).
- Wagner, K., Cheng, P., Vezenov, D. Noncontact Method for Calibration of Lateral Forces in Scanning Force Microscopy. Langmuir. 27, 4635-4644 (2011).
- Green, C. P., et al. Normal and torsional spring constants of atomic force microscope cantilevers. Rev. Sci. Instrum. 75, 1988-1996 (2004).
- Vyas, M. K., Schneider, K., Nandan, B., Stamm, M. Switching of friction by binary polymer brushes. Soft Matter. 4, 1024-1032 (2008).
- 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).
- 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).
- Persson, B. N. J. Theory of rubber friction and contact mechanics. J Chem Phys. 115, 3840-3861 (2001).
- Briels, W. J. Transient forces in flowing soft matter. Soft Matter. 5, 4401-4411 (2009).
- Chen, M., Briscoe, W. H., Armes, S. P., Klein, J. Lubrication at Physiological Pressures by Polyzwitterionic Brushes. Science. 323, 1698-1701 (2009).
