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Engineering

पॉलिमर ब्रश का विरोध अमिश्रणीय की तैयारी और घर्षण बल माइक्रोस्कोपी माप,

Published: December 24, 2014 doi: 10.3791/52285
Automatic Translation
1,2, 2, 1,3, 2
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

Abstract

Solvated बहुलक ब्रश अच्छी तरह इंटरफेस में कम घर्षण को बनाए रखते हुए वे एक सकारात्मक सामान्य लोड बनाए रख सकते हैं, क्योंकि उच्च दबाव संपर्कों चिकना करने के लिए जाना जाता है। फिर भी, इन प्रणालियों की वजह से विरोध ब्रश के interdigitation को पहनने के लिए संवेदनशील हो सकता है। हाल ही में एक प्रकाशन में, हम सब्सट्रेट और स्लाइडर सतहों को समाप्त एक अमिश्रणीय बहुलक ब्रश प्रणाली का उपयोग कर, क्रमशः ऐसा interdigitation समाप्त कर सकते हैं कि, आणविक गतिशीलता सिमुलेशन और परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी प्रयोगों के माध्यम से दिखाया गया है। एक परिणाम के रूप में कम है, संपर्कों में पहनते हैं। इसके अलावा, घर्षण बल पारंपरिक मिश्रणीय बहुलक ब्रश प्रणालियों की तुलना में परिमाण के दो आदेशों कम है। इस नव प्रस्तावित प्रणाली इसलिए उद्योग में आवेदन के लिए महान क्षमता रखती है। इधर, कार्यप्रणाली में प्रस्तुत किया है अपने पसंदीदा विलायक द्वारा solvated दो अलग ब्रश प्रत्येक के एक अमिश्रणीय बहुलक ब्रश प्रणाली का निर्माण करने के लिए। पी भ्रष्टाचार को कैसे प्रक्रियाOLY (एन -isopropylacrylamide) एक परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी (AFM) कोलाइडयन जांच से एक फ्लैट सतह और पाली (मिथाइल methacrylate) से (PNIPAM) (PMMA) में वर्णित है। PNIPAM acetophenone में पानी और PMMA में solvated है। घर्षण बल AFM के माप के माध्यम से, यह इस प्रणाली के लिए घर्षण वास्तव में acetophenone में solvated PMMA पर PMMA के मिश्रणीय प्रणाली की तुलना में परिमाण के दो आदेशों से कम है कि दिखाया गया है।

Introduction

परफेक्ट स्नेहक घर्षण को कम करने और सामान्य भार उच्च रहे हैं, यहां तक ​​कि जब सापेक्ष गति में ठोस के लिए पहनते हैं। इस लक्ष्य को हासिल करने के लिए, स्नेहक रपट के दौरान और बाकी पर संपर्क में रहना चाहिए। हालांकि, एक सकारात्मक सामान्य लोड के तहत, सरल, कम चिपचिपापन तरल पदार्थ जल्दी से संपर्क क्षेत्र से बाहर निचोड़ा कर रहे हैं और यहां तक ​​कि उच्च चिपचिपापन तेल अंततः निष्कासित कर दिया जाता है। फिर भी, जैविक संपर्क, जैसे, मानव जोड़ों में हर समय कम चिपचिपापन तरल पदार्थ के साथ lubricated रहते हैं। प्रकृति ठोस सतहों 1 से जुड़ी चीनी श्रृंखला का उपयोग करते हुए इस तरह के कुशल स्नेहन का एहसास है। हाइड्रोफिलिक चीनी जंजीरों सामान्य दबाव विलायक 2 के आसमाटिक दबाव से अधिक नहीं है, बशर्ते कि संपर्क में एक जलीय तरल रहते हैं। इसलिए, प्रयास के एक बहुत तथाकथित बहुलक ब्रश 3-12 गठन ठोस सतहों के लिए पॉलिमर कलम बांधने का काम द्वारा जैविक स्नेहक नकल उतार की ओर निर्देशित कर दिया गया है।

जब दो विरोधी बहुलकब्रश संपर्क में लाया जाता है, एक तरफ बहुलक श्रृंखला के क्षेत्रों विपरीत पक्ष पर ब्रश श्रृंखला खंडों में स्थानांतरित कर सकते हैं। इस आशय की 13 interdigitation कहा जाता है। ब्रश रिश्तेदार फिसलने गति में हैं, interdigitation पहनने 14 और घर्षण 15-17 का मुख्य स्रोत है। वास्तव में, हाल ही में, बहुलक ब्रश फिसलने के लिए घर्षण वेग संबंधों 18 प्राप्त किया गया है। ये स्केलिंग कानूनों interdigitation और फलस्वरूप खींच और फिसलने पर पॉलिमर के झुकने पर आधारित हैं। मुख्य विशेषताओं सतह बलों तंत्र प्रयोगों 19 के परिणामों के साथ सहमत हैं और आणविक गतिशीलता (एमडी) का 20 सिमुलेशन। उत्तरार्द्ध में ओवरलैप की डिग्री सीधे मात्रा निर्धारित किया जा सकता है। इसके अलावा, यह polyelectrolyte ब्रश के बीच ओवरलैप एक बिजली के क्षेत्र में 21 को लागू करने से देखते जा सकता है कि दिखाया गया था। Interdigitation इन पद्धतियों में, घर्षण circumvented और पहनने के लिए किया जा सकता है इस प्रकार, यदि significan होगाtly कम कर दिया।

हाल ही में एक प्रकाशन 22 में हम दो अमिश्रणीय solvated बहुलक ब्रश सिस्टम ब्रश के बीच ओवरलैप है कि रोकने के एमडी सिमुलेशन के माध्यम से दिखाया गया है। इसके अलावा, ब्रश रपट पर, हम अपने परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी (AFM) माप के साथ समझौते में उत्कृष्ट, पारंपरिक मिश्रणीय ब्रश प्रणालियों की तुलना में परिमाण के दो आदेशों से घर्षण बल की कमी पाया। यहाँ, हम रेफरी की AFM के प्रयोगों कैसे स्थापित करने के बारे में विस्तार से समझाओ। 22. बुनियादी सिद्धांत चित्र 1 में sketched है। दो काउंटर सतहों, दो अलग अलग ब्रश, अपने पसंदीदा विलायक द्वारा solvated प्रत्येक पर, जरूरत है। इस विन्यास में प्रत्येक ब्रश अपनी ही विलायक में बनी हुई है। नतीजतन, एक ब्रश से बहुलक खंडों अन्य ब्रश में घुसना नहीं है। पाली (मिथाइल methacrylate) (PMMA) एक AFM कोलाइडयन जांच से grafted है और ब्रश acetophenone द्वारा solvated है। फ्लैट सतह पाली से (एन -isopropylacrylamide) (PNIPAM) grafted और पानी में solvated है। पारंपरिक मिश्रणीय प्रणालियों के लिए वर्तमान प्रणाली की तुलना करने के लिए, acetophenone में solvated एक PMMA, ब्रश असर एक दूसरे फ्लैट जवाबी सतह किया जाता है। PNIPAM पर PMMA के अमिश्रणीय प्रणाली फिसलने पर मापा घर्षण बल PMMA पर PMMA के मिश्रणीय प्रणाली के लिए घर्षण के लगभग 1% है। इन विशेष ब्रश सिस्टम के उपयोग सिर्फ एक उदाहरण है कि ध्यान दें। प्रस्तुत विधि सामान्य है और कारण अलग भिड़ंत में सॉल्वैंट्स की वरीय absorbance के लिए काम करता है। इसलिए, ब्रश से अधिक प्रकार के रूप में लंबे समय के लिए चुना सॉल्वैंट्स दो भिड़ंत में मिश्रण डे के रूप में लागू होने की उम्मीद कर रहे हैं। प्रभाव एक अतिरिक्त फिसलन द्रव-पर-द्रव-फिसलने इंटरफ़ेस 22,23 बनाया जाता है कि इस तरह के (acetophenone और पानी की तरह) दो गैर मिश्रण सॉल्वैंट्स का उपयोग करके परिलक्षित होता है।

Protocol

नोट: चित्रा 2 नमूना तैयार करने की प्रक्रिया को दिखाता है। पॉलिमर ब्रश सिलिकॉन से grafted गया (सी) के substrates (पथ (एक)), सोना-लेपित substrates के, और सोने कोलाइडयन AFM जांच से (100 एनएम सोना (ख) एक 10 एनएम सीआर आसंजन परत, पथ होने सी वफ़र पर सुखाया) से (6 माइक्रोन व्यास, पथ (ग)) सतह से परमाणु हस्तांतरण कट्टरपंथी polymerization (एसआई-ATRP) 24 शुरू की। AFM के माप खड़ी स्कैनर और एक तरल सेल संलग्न हैं, कम शोर सिर के साथ एक बहुपद्वति AFM के पर प्रदर्शन किया गया।

1. नमूना तैयार

  1. सब्सट्रेट तैयारी
    1. सिलिकॉन सतहों पर प्रारंभक बयान।
      1. क्लोरोफॉर्म, तो पिरान्हा समाधान के साथ सिलिकॉन substrates साफ, बाद में शुद्ध पानी, इथेनॉल और क्लोरोफॉर्म से कुल्ला।
      2. 50 μl (3-aminopropyl) triethoxysilane युक्त एक शीशी के चारों ओर एक desiccator में शुष्क substrates के रखें।
      3. Desiccator बुद्धि खालीहा रोटरी फलक 15 मिनट के लिए पंप और बाद में इसे बंद कर दें। वाष्प जमाव / एन ओ आगे बढ़ने के लिए अनुमति दें।
      4. एक Erlenmeyer फ्लास्क में 40 एमएल टोल्यूनि (degased) और 40 μl triethylamine का एक समाधान तैयार है।
      5. फ्लास्क में substrates के प्लेस और ड्रॉप के लिहाज से 40 μl 2-ब्रोमो-2-methylpropionyl जोड़ें। समाधान में गठित नमक क्रिस्टल के बयान से बचने के लिए, समाधान में substrates के रखें।
      6. चार घंटे के लिए समाधान हलचल।
      7. टोल्यूनि और इथेनॉल के साथ substrates कुल्ला। अगला, polymerization की शीशियों में substrates के लिए जगह है।
    2. सोने की सतहों पर प्रारंभक बयान
      1. एक monolayer समाधान तैयार: 20 मिलीलीटर में 2-ब्रोमो-2-मिथाइल-propionic एसिड 11- [11- (2-ब्रोमो-2-मिथाइल-propionyloxy) -undecyldisulfanyl] -undecyl एस्टर भंग क्लोरोफॉर्म (0.2 मिमी) degassed।
      2. स्थानांतरण सीए पहले से आर्गन के साथ प्लावित किया गया था कि एक छोटी शीशी में 1.5 मिलीलीटर monolayer के समाधान।
      3. क्लोरोफॉर्म के साथ सोने में लिपटे substrates के लिए स्वच्छ औरपिरान्हा समाधान। इसके बाद शुद्ध पानी, इथेनॉल और क्लोरोफॉर्म से कुल्ला।
      4. Monolayer-समाधान में साफ substrates के विसर्जित कर दिया और कुप्पी बंद करें। स्टोर हे / एन एक अंधेरी जगह में।
      5. सॉल्वैंट्स में उन्हें सूई से इथेनॉल और क्लोरोफॉर्म के साथ सोने कोलाइडयन जांच से साफ करें।
      6. Monolayer के समाधान युक्त शीशी में कोलाइडयन जांच विसर्जित कर दिया। मजबूती से बंद करो और एक अंधेरी जगह हे / एन में रहते हैं।
      7. , समाधान से substrates के निकालें क्लोरोफॉर्म और इथेनॉल से धो लें। अगला, polymerization की कुप्पी में सर्जक लेपित substrates के हस्तांतरण।
      8. पर monolayer समाधान से कोलाइडयन जांच हटाने क्लोरोफॉर्म और इथेनॉल से धो लें। अगला, polymerization की शीशी में अलग से जांच हस्तांतरण।
  2. Polymerization
    1. PMMA के एसआई-ATRP
      1. Arg साथ सर्जक से ढके substrates के लिए (सी और सोना दोनों) और कोलाइडयन जांच युक्त, फ्लास्क और शीशियों पर्ज30 मिनट के लिए पर।
      2. ATRP माध्यम में 10 ग्राम मिथाइल methacrylate (एमएमए) भंग (अनुपात के साथ 10 मिलीलीटर मेथनॉल / पानी के मिश्रण 5: 1) और 2 घंटे के लिए समाधान देगास।
      3. 3 निर्वात-AR backfill के चक्र से 145 मिलीग्राम CuBr और एक चुंबकीय सरगर्मी बार से लैस एक फ्लास्क में 320 मिलीग्राम 2,2-bipyridine, और deoxygenize जोड़ें।
      4. (तांबा युक्त) कुप्पी में degassed मोनोमर समाधान स्थानांतरण और एक स्पष्ट भूरे रंग के समाधान मनाया जाता है जब तक एक और 15 मिनट के लिए हलचल।
      5. एक 2 मिलीलीटर सिरिंज से एक सुई देते हैं और सुई और आर्गन साथ सिरिंज 2-3 बार फ्लश।
      6. कोलाइड जांच युक्त, सिरिंज के साथ एक मिलीलीटर polymerization के समाधान को वापस लेने और छोटे प्रतिक्रिया शीशी में सामग्री इंजेक्षन।
      7. फ्लैट में substrates युक्त, सिरिंज के साथ शेष समाधान निकालें और प्रतिक्रिया शीशी में सामग्री इंजेक्षन। पूरी तरह से प्रत्येक नमूने डूब के लिए पर्याप्त समाधान जोड़ें।
      8. आरटी पर 40 घंटे के लिए polymerization के आचरण।
      9. फिर सेpolymerization के समाधान से नमूने ले जाने के लिए और कई चक्रों में इथेनॉल और क्लोरोफॉर्म से धो लें। नमूने के रंग ब्रश की उपस्थिति इंगित करता है।
      10. अंत में, नाइट्रोजन की एक धारा के तहत substrates के लिए सूखी।
      11. एक नाइट्रोजन बॉक्स में फ्लैट substrates के रखें। स्टोर बहुलक ब्रश टोल्यूनि में जांच संशोधित।
    2. PNIPAM 10 के एसआई-ATRP
      1. 30 मिनट के लिए आर्गन साथ सर्जक से ढके substrates के लिए (सी और सोना दोनों) और colloid जांच युक्त, फ्लास्क और शीशियों शुद्ध।
      2. ATRP मध्यम (1.6 मिलीलीटर पानी और 18 मिलीलीटर मेथनॉल) में 5.6 जी एन -isopropylacrylamide और 320 μl PMDETA भंग और दो ​​घंटे के लिए समाधान देगास।
      3. एक चुंबकीय सरगर्मी बार से लैस एक कुप्पी में 76 मिलीग्राम CuBr जोड़ें, और 3 निर्वात-AR backfill के चक्र से deoxygenize।
      4. तांबा होता है कि कुप्पी में degassed मोनोमर समाधान स्थानांतरण। एक स्पष्ट हरी समाधान मनाया जाता है जब तक एक और 15 मिनट के लिए हिलाओ। एक 2 मिलीलीटर सिरिंज से एक सुई देते हैं और सुई और आर्गन साथ सिरिंज 2-3 बार फ्लश।
      5. कोलाइड जांच युक्त, सिरिंज के साथ एक मिलीलीटर polymerization के समाधान को वापस लेने और छोटे प्रतिक्रिया शीशी में सामग्री इंजेक्षन। सारे जांच के लिए दोहराएँ।
      6. फ्लैट में substrates युक्त, सिरिंज के साथ शेष समाधान निकालें और प्रतिक्रिया कुप्पी में सामग्री इंजेक्षन। पूरी तरह से प्रत्येक नमूने डूब के लिए पर्याप्त समाधान जोड़ें।
      7. आरटी पर 2 घंटे के लिए polymerization के आचरण।
      8. Polymerization के समाधान से नमूने निकालें और कई चक्र के माध्यम से इथेनॉल और पानी से धो लें। नमूने के प्रदर्शित होने के रंग ब्रश की उपस्थिति इंगित करता है।
      9. 0.1 एम EDTA समाधान में नमूना विसर्जित कर दिया और समाधान हे में रख / एन सब तांबा निकालने के लिए। शुद्ध पानी और इथेनॉल के साथ धोएं।
      10. एक नाइट्रोजन बॉक्स में फ्लैट substrates के रखें। शुद्ध पानी में PNIPAM ब्रश संशोधित जांच स्टोर।
  3. ब्रश लक्षण, फूरियर इन्फ्रारेड रूपांतरण (चित्रा 3)
    नोट: सी सब्सट्रेट पर बहुलक ब्रश के लिए सोने सब्सट्रेट और पारेषण एफटीआईआर मोड पर बहुलक ब्रश के लिए इस्तेमाल की चराई कोण एफटीआईआर मोड। ध्यान से सभी नमूनों सूखी। कोई पानी और विलायक संदूषण डिटेक्टर की गंभीर नुकसान का कारण बन सकता है।
    1. निर्माता द्वारा प्रदान की पुस्तिका के अनुसार उपकरणों को प्रारंभ करें।
    2. नमूना माप के लिए निम्नलिखित मानकों सेट: 900 और 3700 के बीच सेमी रेंज -1 प्रत्येक माप में 4 सेमी -1 और औसत 32 स्कैन के एक संकल्प के साथ।
    3. , नमूना तैयार करने के लिए इस्तेमाल किया प्रोटोकॉल के अनुसार एक खाली सब्सट्रेट साफ ध्यान से सूखी और माप चैम्बर के लिए जगह है।
    4. चार घंटे के लिए वैक्यूम लागू करें। इसके बाद, एक पृष्ठभूमि स्कैन रिकॉर्ड है।
    5. खाली नमूना निकालें और नमूना कक्ष में सूखी बहुलक ब्रश लेपित नमूना जगह है।
    6. Sampl में वैक्यूम लागू करेंई चैम्बर और 5 घंटे के लिए एक नमूना स्कैन हर 30 मिनट के रिकॉर्ड है।
    7. बहुलक ब्रश की रासायनिक संरचना की पुष्टि करने के स्पेक्ट्रा में सभी चोटियों को पहचानें। (केवल एक सीधे आधारभूत साथ स्कैन का विश्लेषण।)

2. AFM के मापन

  1. बहुलक से अधिक दूर है और यह शुष्क करने के लिए एक अच्छा विलायक से कुल्ला, एक सुई के साथ सावधानी से PMMA, ब्रश कवर सब्सट्रेट स्क्रैच।
  2. AFM के साधन में नमूने माउंट और तरल सेल में जांच माउंट।
  3. ब्रैकट के अंत पर लेजर संरेखित करें।
  4. कैमरे के उपयोग के साथ, एक खरोंच से ऊपर टिप संरेखित।
  5. आ रहा है और टिप उलझाने से पहले, स्कैन आकार 0 एनएम निर्धारित किया है। अगला, सतह के लिए टिप संलग्न हैं।
  6. 'रैंप मोड' में जाओ और बल दूरी घटता के माध्यम से नीचे को झुकाव संवेदनशीलता का निर्धारण। सॉफ्टवेयर और torsional वसंत निरंतर ओ में लागू के रूप में 'थर्मल धुन' का उपयोग सामान्य वसंत निरंतर जांचनावैगनर एट अल की पद्धति का उपयोग ब्रैकट एफ। 25
    1. सॉफ्टवेयर (6.25 मेगाहर्ट्ज) में उच्च गति डेटा पर कब्जा का उपयोग करते हुए दो सेकंड के लिए हवा में ब्रैकट की मरोड़ थर्मल शोर पर कब्जा।
    2. फूरियर रूपांतरण का उपयोग कर सत्ता वर्णक्रमीय घनत्व (वी 2 / हर्ट्ज) में थर्मल शोर कन्वर्ट।
    3. मौलिक गूंज और बिजली वर्णक्रमीय घनत्व में गूंज शिखर और आधारभूत शोर सहित एक सरल हार्मोनिक थरथरानवाला के लिए समीकरण (EQ। रेफरी के 2। 25) का उपयोग कर हवा में ब्रैकट की गुणवत्ता कारक निर्धारित करते हैं।
    4. सदर 26 की विधि का उपयोग कर कदम 2.6.3 में निर्धारित ब्रैकट के inplane आयामों (लंबाई और चौड़ाई), घनत्व और आसपास के माध्यम (हवा) की चिपचिपाहट और गुणवत्ता कारक और अनुनाद आवृत्ति का उपयोग कर मरोड़ वसंत लगातार गणना।
      नोट: www.ampc.ms.unimelb.edu.au/afm/calibration.html: हम जॉन सदर की वेबसाइट पर उपलब्ध कराई उपकरण का इस्तेमाल किया।
    5. CAEQ का उपयोग कर ब्रैकट की मरोड़ कोण विक्षेपन संवेदनशीलता lculate। 6 और रेफरी के 7। 25।
    6. कोलाइड के आकार, ब्रैकट और EQ की मोटाई का उपयोग कर पार्श्व वसंत निरंतर और विक्षेपन संवेदनशीलता में मरोड़ वसंत निरंतर और विक्षेपन संवेदनशीलता को बदलें। रेफरी के 8। 25।
      नोट: डिटेक्टर संकेत अब के माध्यम से एक शक्ति में परिवर्तित किया जा सकता है: बल [एन] पार्श्व वसंत निरंतर [एन / एम] * = पार्श्व विक्षेपन संवेदनशीलता [एम / वी] * डिटेक्टर संकेत [वी]।
  7. कम से कम संभव विक्षेपन setpoint पर एक खरोंच पर ब्रश इमेजिंग द्वारा शुष्क ब्रश के ब्रश ऊंचाई मापने। कब्जा कर लिया छवि की लाइन-स्कैन से ब्रश ऊंचाई निर्धारित करते हैं।
  8. धीरे से एक सिरिंज के साथ सतह के लिए इसे लागू करने से acetophenone में ब्रश Solvate।
    नोट: विलायक evaporates के रूप में नमूना परिवर्तन के रंग। इस प्रक्रिया सुखाने के बाद के लिए अनुमति देता है।
  9. AFM के लिए नमूना माउंट। करने के लिए खड़ी लेजर संकेत संरेखित-1.0 वी 0 वी विक्षेपन setpoint सेट और ब्रैकट और सतह संलग्न हैं।
    नोट: सतह के साथ संपर्क में ब्रैकट लाने के बाद, acetophenone टिप और सतह के बीच एक केशिका पुल बनाने के कोलाइड पर ब्रश में ले जाता है।
  10. 40 माइक्रोन के लिए स्कैन आकार सेट करने के लिए 1 धीमी स्कैन कुल्हाड़ियों और सेट छवि पहलू अनुपात को अक्षम: 4। ऊंचाई और घर्षण छवि चैनल (ट्रेस और खोजना दोनों) रिकॉर्ड।
  11. छवियों पर कब्जा कर लिया जाता है तो ब्रैकट वापस ले लें।
  12. PNIPAM ब्रश solvate करने के लिए, PNIPAM ब्रश से ढके सतह पर पानी की एक बूंद लागू करें।
  13. अमिश्रणीय प्रणाली बनाने के लिए solvated PNIPAM सतह से PMMA, सतह की जगह जल्दी से सिर उठा और। कोलाइडयन जांच पर PMMA, ब्रश से acetophenone के वाष्पीकरण से बचने के लिए, सतहों का आदान प्रदान जब जल्दी करो।
  14. पहले के रूप में एक ही मानकों के साथ टिप और सतह, और रिकॉर्ड छवियों व्यस्त हैं।

Representative Results

चित्रा 4 मिश्रणीय और अमिश्रणीय बहुलक ब्रश सिस्टम दोनों फिसलने पर प्रतिनिधि AFM के बल निशान से पता चलता है। घर्षण बल एफ सममित, मिश्रणीय सिस्टम के लिए एफ प्रतीक रपट स्थिर अवस्था में घर्षण बल द्वारा सामान्यीकृत है। इन प्रयोगों में सूजन ब्रश ऊंचाई PMMA के लिए 1010 एनएम और PNIPAM के लिए 532 एनएम था। बल निशान प्रोटोकॉल खंड में वर्णित प्रक्रिया का पालन करने के बाद कब्जा कर रहे हैं। 30 एन के एक सामान्य भार आवेदन करते समय इन प्रयोगों में सतह के आगे और पीछे 80 माइक्रोन / सेकंड की एक वेग वी के साथ ले जाया गया था। मिश्रणीय (बाएं पैनल) के लिए घर्षण बल और अमिश्रणीय (सही पैनल) ब्रश प्रणालियों में अंतर स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है। बाएं पैनल में स्थिर राज्य घर्षण बल राइट पैनल में स्थिर राज्य घर्षण बल से 90X अधिक है। अमिश्रणीय प्रणाली के लिए मापा घर्षण बल घर्षण बल मापा च की 0.5-2% आम तौर पर हैया मिश्रणीय प्रणाली। सटीक घर्षण कमी ग्राफ्टिंग घनत्व, polymerization के डिग्री, विलायक की राशि, और (कमजोर) सामान्य लोड और फिसलने वेग पर पर निर्भर करता है, यह परिमाण के दो आदेशों के आसपास हमेशा से रहा है। हम एक कारक 5 (400 माइक्रोन / सेक) से ऊपर वर्णित प्रणाली के लिए फिसलने वेग बढ़ाते हैं, घर्षण कमी 2% से कम हो जाती है। हम (300 एन) के एक कारक के 10 से सामान्य लोड बढ़ाने के लिए, घर्षण कमी 3% से कम हो जाती है।

चित्रा 1
चित्रा 1. सेटअप के योजनाबद्ध स्केच। बाएं पैनल में एक ही पॉलिमर सतह और colloid से grafted रहे हैं जहां मिश्रणीय प्रणाली को दिखाती है। ब्रश एक एक चरण तरल में solvated कर रहे हैं। सही पैनल के दो अलग अलग बहुलक ब्रश के अमिश्रणीय प्रणाली को दर्शाता है। प्रत्येक ब्रश अपने स्वयं के पसंदीदा तरल में solvated है। पारंपरिक मेंविपरीत ब्रश के पॉलिमर विलेयशील सिस्टम ओवरलैप। अमिश्रणीय प्रणाली के लिए, विपरीत ब्रश कि इस तरह के घर्षण interdigitate नहीं है और कम हो जाता है रपट के दौरान पहनते हैं।

चित्रा 2
प्रोटोकॉल खंड में वर्णित के रूप में नमूना तैयार करने की प्रक्रिया की चित्रा 2. योजनाबद्ध स्केच। बाएं से दाएं सर्जक बयान और सतह शुरू की परमाणु हस्तांतरण कट्टरपंथी polymerization (एसआई ATRP) के माध्यम से ब्रश तैयारी की प्रक्रिया को दर्शाता है। पथ (ए) परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी जांच पर सोने कोलाइड से grafted सोने लेपित सिलिकॉन सतहों और (सी) ब्रश से grafted सिलिकॉन सतहों से grafted ब्रश, (बी) ब्रश का वर्णन है। अल देखने के लिए यहां क्लिक करेंइस आंकड़े के arger संस्करण।

चित्रा 3
PMMA (नीला) और PNIPAM (हरा) की चित्रा 3. FTIR स्पेक्ट्रा सिलिकॉन (मोटी लाइनों) और सोना (पतली लाइनें) पर ब्रश। डेटा Suppl से लिया गया है। चटाई। रेफरी की। 22. PMMA wavenumbers (सेमी - 1): 3,050-2,990 (सीएच खींच कंपन), 1730 सी = हे (डबल बंधन खींच कंपन), 1450 (सीएच 3 और 2 Ch विरूपण कंपन), 1,260-1,040 (COC एकल बंधन खींच कंपन ), 880-960 (COC एकल बंधन विरूपण कंपन)। 1730 सेमी - 1 सी = हे समूह की विशेषता खींच कंपन शिखर स्पष्ट है PNIPAM wavenumbers (सेमी -1): 3289 (एनएच सममित और असममित खींच कंपन), 3078, 2971, 2933, 2874 (असममित और सुडौल सीएच खींच। -CH में कंपन <उप> 2 -), 1635 (सी = हे खींच कंपन), 1535 (एमाइड द्वितीय), 1458 (सीएच असममित झुकने विरूपण), 1386 (सीएच सममित झुकने विरूपण), 1,366-1,170 (सीएन असममित खींच कंपन)। 1635 और 1535 सेमी - एमाइड समूह की विशेषता खींच कंपन चोटियों एक स्पष्ट कर रहे हैं।

चित्रा 4
चित्रा 4. फ़िल्टर, औसत और मिश्रणीय (बाएं) और अमिश्रणीय (दाएं) सिस्टम रपट पर बल निशान smoothed (रेफरी से समायोजित। 22)। सतह 1 हर्ट्ज के स्कैन दर पर आगे और पीछे 40 माइक्रोन से ले जाया जाता है और 30 एन के सामान्य भार।

Discussion

प्रस्तुत परिणाम घर्षण, व्यक्तिगत रूप से solvated ब्रश के अमिश्रणीय प्रणालियों के लिए, दृढ़ता से एक ही solvated ब्रश के दो के पारंपरिक मिश्रणीय प्रणालियों की तुलना में कम है कि पता चलता है। दो भिड़ंत में विभिन्न सॉल्वैंट्स की वरीय absorbance के समाप्त हो रहा है interdigitating से ब्रश और बहुलक ब्रश घर्षण में पहनते हैं और अपव्यय के फलस्वरूप एक प्रमुख स्रोत से बचाता है। प्रस्तुत विधि इसलिए घर्षण ब्रश विशिष्ट बातचीत 27 से निर्धारित किया जाएगा, जहां हाइड्रोफोबिक ब्रश, पर सूखी हाइड्रोफिलिक फिसलने से मौलिक रूप से अलग है। वास्तव में, सॉल्वैंट्स बिना PNIPAM (ढह ऊंचाई 166 एनएम) पर PMMA कर्तन पर, हम घर्षण 50% अधिक था PMMA (ढह ऊंचाई 236 मीटर) पर PMMA सूखी की तुलना में पाया गया कि।

पहले से ही 'प्रोटोकॉल' खंड के नोट में शीघ्र ही बताया, प्रदर्शन करते हुए ध्यान में रखा जाना करने की जरूरत है कि महत्वपूर्ण बिंदुओं में से एक जोड़े हैंइन विशेष प्रयोगों: सबसे पहले, acetophenone एक बेहतर विलायक पानी की तुलना में PNIPAM के लिए है। इस प्रकार, देखभाल acetophenone खूब पानी के साथ PNIPAM ब्रश गीला द्वारा PNIPAM ब्रश प्रवेश नहीं करता है कि लिया जाना चाहिए। Acetophenone और पानी के मिश्रण नहीं है के बाद से, acetophenone अब PNIPAM ब्रश में प्रवेश नहीं करेगा। यही कारण है कि हम acetophenone में पूरी तरह से हमारे सिस्टम को विसर्जित, लेकिन इसके बजाय मिश्रणीय प्रणाली के लिए एक acetophenone केशिका बनाया क्यों नहीं किया है। अधूरा विसर्जन के लिए एक और कारण यह है कि हम केवल colloid और ब्रैकट पर स्टोक्स खींचें मापा कि इस तरह की भी मजबूत हाइड्रोइनेमिकस, में पूर्ण विसर्जन का परिणाम है। दूसरे, AFM के प्रयोगों में मरोड़ और सामान्य वसंत स्थिरांक मिलकर कर रहे हैं। एक कम सामान्य लगातार वसंत के साथ cantilevers भी ठीक इसके विपरीत एक अपेक्षाकृत कम मरोड़ वसंत निरंतर और होगा। यह सबसे कम औसत दर्जे का घर्षण गुणांक> 10 -3 को सीमित करता है। इस प्रकार, एमआईएस के लिए पूरी घर्षण कमी, घर्षण को मापने के क्रम मेंCIBLE प्रणाली उच्च होने की जरूरत है। यह लंबे समय से उच्च घनत्व ब्रश और आम तौर पर 100 मीटर / सेकंड की एक अपेक्षाकृत उच्च कतरनी वेग का उपयोग करके हासिल की है। इसके अलावा, ब्रश के बीच केशिका भी घर्षण बलों बढ़ जाती है। हम 200 किलो पास्कल के एक अनुमान के अनुसार सामान्य तनाव के तहत μ = 0.003 की, एक अमिश्रणीय प्रणाली 22 के लिए, सबसे कम घर्षण गुणांक मापा। एक ही प्रयोगात्मक शर्तों का उपयोग करना, हम μ पाया कि = 0.15 मिश्रणीय प्रणाली के लिए।

प्रयोगों के एक नियंत्रित प्रयोगशाला वातावरण में प्रदर्शन किया गया है कि और उद्योग में इस्तेमाल किया सतहों प्रस्तुत प्रयोगों में इस्तेमाल के रूप में आदर्श के रूप में नहीं कर रहे हैं कि ध्यान दें। अधिकांश सतहों एक गैर वर्दी खुरदरापन वितरण अलग आकृति और आकार के 28 और इस तरह कई asperities है। दो ब्रश असर asperities की टक्कर के दौरान घर्षण अलग अपव्यय चैनलों 29 से बाहर बना है। ऐसे interdigita के रूप में स्थिर राज्य के लिए अगला अपव्यय तंत्र,tion और विलायक प्रवाह की वजह से पॉलिमर और विलायक की धीमी गति से विश्राम का समय के लिए आकार 30 में hysteretic प्रभाव नहीं होगा। इसके अलावा, केशिकाओं का गठन किया और टूट रहे हैं। पारंपरिक रूप से इस्तेमाल मिश्रणीय ब्रश प्रणालियों में, क्षणिक interdigitation 31 shape- और केशिका हिस्टैरिसीस amplifies। यहाँ प्रस्तुत अमिश्रणीय प्रणाली के साथ, क्षणिक interdigitation भी समाप्त हो रहा है। इसके अलावा, केशिका हिस्टैरिसीस दो अमिश्रणीय सॉल्वैंट्स के आवेदन के द्वारा धोखा दिया जा सकता। इसलिए, यह भी अधिक आम खुरदरी सतह घर्षण के लिए और पहनने अमिश्रणीय ब्रश प्रणालियों 22 का उपयोग कर कम हो जाएगा। बनी हुई है कि घर्षण का मुख्य स्रोत ब्रश विकृति है। सतहों में से एक पर उनके आंतरिक कम घर्षण 32 के लिए जाना जाता है, जो polyzwitterionic पॉलिमर, एंकरिंग उत्तरार्द्ध कम कर सकते हैं। ऐसी प्रणालियों में विलायक के आसमाटिक दबाव उच्च सामान्य भार के नीचे छोटे ब्रश विरूपण में उच्च जिसके परिणामस्वरूप है।

अमिश्रणीय ब्रश प्रणालियों के प्रस्तुत विधि कम घर्षण वांछनीय है जहां लगभग किसी भी प्रणाली में लागू किया जा सकता है। अच्छी तरह से उच्च दबाव के तहत विधि कार्य करता है। हालाँकि, ध्यान तापमान आर टी के आसपास रखा है कि लिया जाना चाहिए। उच्च तापमान से संपर्क करें और फलस्वरूप उच्च घर्षण से बाहर तरल के प्रवाह का कारण होगा जो पॉलिमर, नुकसान पहुंचा। संभावित आवेदन के उदाहरण हैं: सीरिंज, पिस्टन प्रणाली, धुरा बीयरिंग और टिका है।

Acknowledgments

हम नुस्खा से सावधान जाँच के लिए उपयोगी विचार विमर्श के लिए वाई यू एम Hempenius और ई बेनेटी धन्यवाद, तकनीकी सहायता के लिए चित्रा 1, सी Padberg और लालकृष्ण स्मिट की छवि डिजाइन के लिए एम Vlot। ई.के. वित्तीय सहायता के लिए वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए नीदरलैंड संगठन (NWO, टॉप अनुदान 700.56.322, उत्तेजना के साथ MACROMOLECULAR नैनो उत्तरदायी पॉलिमर) मानता है। SDB आर्थिक रूप से वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए नीदरलैंड संगठन (NWO) द्वारा समर्थित है, जो इस मामले पर फंडामेंटल रिसर्च के लिए फाउंडेशन (FOM) द्वारा समर्थित किया गया है।

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

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भौतिकी अंक 94 परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी पॉलिमर पॉलिमर ब्रश कोलाइड जांच कोलाइड जांच रासायनिक संशोधन सतह शुरू की परमाणु-हस्तांतरण कट्टरपंथी polymerization घर्षण आणविक गतिशीलता
पॉलिमर ब्रश का विरोध अमिश्रणीय की तैयारी और घर्षण बल माइक्रोस्कोपी माप,
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de Beer, S., Kutnyanszky, E.,… More

de Beer, S., Kutnyanszky, E., Müser, M. H., Vancso, G. J. Preparation and Friction Force Microscopy Measurements of Immiscible, Opposing Polymer Brushes. J. Vis. Exp. (94), e52285, doi:10.3791/52285 (2014).

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