Abstract
Solvatiserade polymer borstar är välkända för att smörja högtryckskontakter, eftersom de kan upprätthålla en positiv normal belastning medan låg friktion upprätthållande vid gränsytan. Ändå kan dessa system vara känsliga för slitage på grund av interdigita av de motsatta borstar. I en nyligen publicerad, har vi visat genom molekyldynamiksimuleringar och atomkraftsmikroskopi experiment, att med hjälp av en icke blandbar polymerborstsystemet avslutande substratet och glidytorna, respektive, kan eliminera sådana interdigita. Som en konsekvens, slitage i kontakterna minskas. Dessutom är friktionskraften två tiopotenser lägre jämfört med traditionella blandbar polymerborstsystem. Detta nyligen föreslagna systemet har därför stor potential för tillämpning inom industrin. Här, den metod konstruera en icke blandbar polymerborste system av två olika borstar vardera solvaterade av sin egen föredraget lösningsmedel presenteras. Proceduren hur man ympa pOly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) från en plan yta och poly (metylmetakrylat) (PMMA) från ett atomkraftsmikroskop (AFM) kolloidal sond beskrivs. PNIPAM solvatiseras i vatten och PMMA i acetofenon. Via friktionskraft AFM mätningar, visas det att friktionen för detta system verkligen reduceras med två tiopotenser jämfört med blandsystem PMMA på PMMA solvatiseras i acetofenon.
Introduction
Perfekta smörjmedel minska friktion och slitage för fasta ämnen i relativ rörelse även när normala laster är höga. För att uppnå detta, bör smörjmedlet vara kvar i kontakt under glidning och i vila. Emellertid, under ett positivt normal belastning, enkelt, lågviskösa vätskor snabbt pressas ut ur kontaktområdet och ännu högre viskositet oljor utvisas småningom. Ändå biologiska kontakter, t.ex., i mänskliga leder, förblir smorda med lågviskösa vätskor vid alla tidpunkter. Naturen realiserar sådan effektiv smörjning använder sockerkedjor bundna till fasta ytor 1. De hydrofila sockerkedjor hålla en vattenhaltig vätska i kontakt, förutsatt att den normalt tryck inte överskrider det osmotiska trycket för lösningsmedlet 2. Därför har en stor insats riktats mot härma biologiska smörjmedel genom ympning polymerer till fasta ytor som bildar så kallade polymer borstar 3-12.
När två motsatta polymerborstar bringas i kontakt, kan segment av polymerkedjorna på ena sidan flytta in i borst kedjesegmenten på den motsatta sidan. Denna effekt kallas interdigita 13. När borstarna är i relativ glidande rörelse, är interdigita den huvudsakliga källan till slitage 14 och friktion 15-17. Faktum nyligen friktionshastighets relationer för glidande polymer borstar har härletts 18. Dessa skalnings lagar bygger på interdigita och den därav stretching och bockning av polymer vid glidning. De viktigaste egenskaperna är överens med resultaten från ytkrafter apparatexperiment 19 och molekyldynamik (MD) simuleringar 20. I det senare graden av överlappning kan direkt kvantifieras. Dessutom visade det sig att överlappningen mellan polyelektrolyt borstar kan finjusteras genom att applicera ett elektriskt fält 21. Således, om interdigita kan kringgås, friktion och slitage i dessa system skulle vara significantly minskas.
I en nyligen publicerad 22 har vi visat genom MD simuleringar som två icke bland solvatiserade polymerborstsystem förhindrar överlappning mellan borstarna. Dessutom, efter att glida borstarna, fann vi en minskning av friktionskraften med två tiopotenser jämfört med de traditionella blandborstsystem, i utmärkt avtal med vår atomkraftsmikroskopi (AFM) mätningar. Här förklarar vi i detalj hur man ställer upp AFM experiment Ref. 22. Grundprincipen skissas i figur 1. På de två motriktade ytor, två olika borstar, varje solvatiserad av sin egen föredragna lösningsmedlet, behövs. I denna konfiguration förblir varje borste i sin egen vätska. Följaktligen anser polymersegment från en borste inte tränga in i den andra borsten. Poly (metylmetakrylat) (PMMA) ympas från ett AFM kolloidal prob och borsten är solvatiserad av acetofenon. Från den plana ytan poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) ympas och solvatiseras i vatten. Att jämföra det nuvarande systemet för traditionella blandsystem, är ett andra plan kontra ytan med en PMMA borste solvatiserad i acetofenon gjort. Den uppmätta friktionskraften vid skjuta blandbara system av PMMA på PNIPAM är ca 1% av friktionen för blandsystem PMMA på PMMA. Notera att användningen av dessa speciella borstsystem är bara ett exempel. Denna metod är generisk och arbetar på grund av den föredragna absorbansen av lösningsmedlen i de olika borstar. Därför är fler typer av borstar förväntas vara tillämpliga, så länge som de valda lösningsmedlen de-mix i de två borstarna. Effekten förstärks genom att använda två icke blandnings lösningsmedel (t.ex. acetofenon och vatten) så att en extra hal vätska-on-vätske glidande gränssnittet skapas 22,23.
Protocol
OBS: Figur 2 illustrerar förfarandet provberedning. Polymer borstar var ympade från kisel (Si) substrat (stig (a)), från guldbelagda substrat (100 nm guld avdunstat på Si wafer som har en 10 nm Cr vidhäftningsskikt, stig (b)), samt från guld kolloidalt AFM sonder (6 um i diameter, stig (c)) genom ytan inledde atom-överföring radikalpolymerisering (SI-ATRP) 24. Mätningarna AFM utfördes på en Multimode AFM med den låga brushuvud, vertikal ingrepp scanner och en vätskecell.
1. Provframställning
- Förberedelser av underlaget
- Initiator avsättning på kiselytor.
- Rengör kiselsubstrat med kloroform, därefter Piranha-lösning, därefter skölja med renat vatten, etanol och kloroform.
- Placera de torra substrat i en exsickator runt en flaska innehållande 50 pl (3-aminopropyl) trietoxisilan.
- Evakuera exsickatorn witha roterande vingpump under 15 minuter och stäng den sedan. Låt ångavsättning att fortsätta O / N.
- Bered en lösning av 40 ml toluen (avgasas) och 40 pl trietylamin i en Erlenmeyerkolv.
- Placera substraten i kolven och droppvis till 40 l 2-bromo-2-metylpropionyl. Förvara substraten i lösningen, för att undvika avlagring av saltkristaller bildas i lösning.
- Rör om lösningen i 4 timmar.
- Skölj substraten med toluen och etanol. Därefter placerar substraten i polymerisationszonen flaskor.
- Initiator avsättning på guldytor
- Bered en monoskiktlösning: lös 2-brom-2-metyl-propionsyra 11- [11- (2-brom-2-metyl-propionyloxi) -undecyldisulfanyl] -undecyl ester i 20 ml avgasad kloroform (0,2 mM).
- Överföring ca. 1,5 ml monolösning i en liten flaska som tidigare spolades med argon.
- Rengör de guldbelagda substrat med kloroform ochPiranha-lösning. Därefter skölj med renat vatten, etanol och kloroform.
- Doppa de rengjorda substraten i monolagret-lösningen och tillslut kolven. Affär O / N på en mörk plats.
- Rengör guld kolloidalt sonder med etanol och kloroform genom att doppa dem i lösningsmedel.
- Doppa de kolloidala sonder i flaskan med monolager lösningen. Stäng ordentligt och förvara den på en mörk plats O / N.
- Avlägsna substraten från lösningen, tvätta med kloroform och etanol. Nästa, överföra initiator substrat i polymerisation kolven.
- Ta bort de kolloidala sonder från monolösning, tvätta med kloroform och etanol. Därefter överför varje sond separat in i polymerisations flaskan.
- Initiator avsättning på kiselytor.
- Polymerisation
- SI-ATRP av PMMA
- Rensa kolven och flaskor, som innehåller initiator-täckta substrat (både Si och guld) och de kolloidala sonder med Argom under 30 min.
- Lös 10 g metylmetakrylat (MMA) i ATRP-medium (10 ml metanol / vatten-blandning med förhållandet 5: 1) och avlufta den under 2 h.
- Lägg 145 mg CuBr och 320 mg 2,2-bipyridin i en kolv utrustad med en magnetisk omrörarstav, och deoxygenize genom tre vakuum-Ar återfyllningscykler.
- Överför avgasad monomerlösningen in i kolven (innehållande koppar) och rör om under ytterligare 15 min tills en klar brun lösning observeras.
- Fäst en nål till en 2 ml spruta och spola nålen och sprutan med argon 2-3 gånger.
- Uttag 1 ml polymerisationslösningen med sprutan och injicera innehållet i den lilla reaktionsflaskan, som innehåller den kolloid sonden.
- Dra upp den återstående lösningen med sprutan och injicera innehållet i reaktionsflaskan, som innehåller de platta substrat. Tillsätt tillräckligt lösning för att dränka varje prov helt.
- Utföra polymerisationen för 40 h vid RT.
- Reflytta proverna från polymerisationslösningen och tvätta med etanol och kloroform i flera cykler. Färgning av provet indikerar närvaron av borsten.
- Torka slutligen substraten under en ström av kväve.
- Håll plana substrat i en kvävelåda. Affär polymerborste modifierade prober i toluen.
- SI-ATRP av PNIPAM 10
- Purge kolven och vialer, innehållande initiator- täckta substrat (både Si och guld) och de kolloida sönder med argon under 30 minuter.
- Lös 5,6 g N -isopropylacrylamide och 320 pl PMDETA i ATRP medium (1,6 ml vatten och 18 ml metanol) och avlufta den under 2 timmar.
- Lägg 76 mg CuBr i en kolv utrustad med en magnetisk omrörarstav, och deoxygenize genom tre vakuum-Ar återfyllningscykler.
- Överför avgasad monomerlösningen i kolven som innehåller koppar. Rör om under ytterligare 15 min tills en klar grön lösning observeras. Fäst en nål till en 2 ml spruta och spola nålen och sprutan med argon 2-3 gånger.
- Uttag 1 ml polymerisationslösningen med sprutan och injicera innehållet i den lilla reaktionsflaskan, som innehåller den kolloid sonden. Upprepa för alla sonder.
- Dra den återstående lösningen med spruta och injicera innehållet i reaktionskolven, som innehåller de plana substraten. Tillsätt tillräckligt lösning för att dränka varje prov helt.
- Utföra polymerisationen under 2 h vid RT.
- Avlägsna sampel från polymerisationslösningen och tvätta med etanol och vatten genom multipla cykler. Den visas färgen på provet indikerar förekomst av borsten.
- Doppa provet i 0,1 M EDTA-lösning och hålla den i lösningen O / N för att ta bort all koppar. Tvätta med renat vatten och etanol.
- Behåll de plana substraten i en kvävelåda. Förvara PNIPAM pensel modifierade prober i renat vatten.
- SI-ATRP av PMMA
- Borsta karakterisering, Fourier Transform Infrared (Figur 3)
OBS: Använd bete-vinkel FTIR läge för polymer borstar på guld substrat och transmission FTIR läge för polymer borstar på Si-substrat. Torka alla prover noggrant. Allt vatten och lösningsmedel kontamination kan orsaka allvarliga skador hos detektorn.- Starta utrustningen enligt manualen tillhandahålls av tillverkaren.
- Ställ in följande parametrar för provmätning: intervall mellan 900 och 3.700 cm -1 med en upplösning på 4 cm -1 och genomsnittliga 32 skannar i varje mätning.
- Rengör en tom substrat enligt protokollet som används för provberedning, torka försiktigt och lägg den till mätkammaren.
- Applicera vakuum i 4 timmar. Nästa, spela in en bakgrunds scan.
- Ta bort blankprov och placera den torra polymerborsten belagda prov i provkammaren.
- Applicera vakuum i sample kammaren och spela in ett prov-scan varje 30 min under 5 h.
- Identifiera alla toppar i spektrat för att bekräfta den kemiska sammansättningen hos polymerborsten. (Endast analysera skannar med en rak baslinje.)
2. AFM Mätning
- Skrapa PMMA borsten täckt substrat försiktigt med en nål, skölj med ett bra lösningsmedel för att avlägsna överskottet av polymer och torka den.
- Montera proverna i AFM instrumentet och montera sonden i den flytande cellen.
- Rikta lasern på slutet av fribärande.
- Med användning av kameran, rikta spetsen ovanför en skråma.
- Innan närmar sig och engagera spetsen, ställ in skanningsstorlek 0 nm. Nästa, engagera spetsen till ytan.
- Gå till "rampläge" och bestämma nedböjning känsligheten via force avståndskurvor. Kalibrera den normala fjäderkonstant med hjälp av "termisk tune" som genomförts i programvaran och vridfjäderkonstant of den fribärande användning av metoden enligt Wagner et al. 25
- Fånga vridtermiskt brus av konsolen i luft under 2 sek med hjälp av höghastighets datafångst i programvaran (6,25 MHz).
- Omvandla det termiska bruset i effektspektrum (V 2 / Hz) med hjälp av Fourier Trans.
- Bestäm grundläggande resonans och kvalitetsfaktorn av konsolen i luften med hjälp av resonanstopp i effektspektrum och ekvationen för en enkel harmonisk oscillator inklusive baslinje brus (eq. 2 av Ref. 25).
- Beräkna vridfjäderkonstanten med hjälp av de planparallell dimensioner fribärande (längd och bredd), densiteten och viskositeten hos det omgivande mediet (luft) och kvalitetsfaktorn och resonansfrekvensen bestäms i steg 2.6.3 med användning av metoden enligt Sader 26.
OBS: Vi använde verktyget tillhandahålls på webbplatsen för John Sader: www.ampc.ms.unimelb.edu.au/afm/calibration.html. - Calculate vridningsvinkeln avböjning känslighet av konsolen med hjälp ekv. 6 och 7 i Ref. 25.
- Konvertera vridfjäderkonstanten och utböjning känslighet i den laterala känslighetsfjäderkonstant och utböjning använder storleken av kolloiden, tjockleken av konsolen och ekv. 8 av Ref. 25.
OBS: detektorsignalen kan nu omvandlas till en kraft via: kraft [N] = lateral fjäderkonstant [N / m] * lateral känslighet utböjning [m / V] * detektorsignal [V].
- Mät borsten höjden på torr borste genom avbildning av borsten vid en repa på lägsta möjliga avböjningen börvärde. Bestäm borsthöjden från line-skanningar av den tagna bilden.
- Solvat borsten i acetofenon genom att försiktigt applicera den på ytan med en spruta.
OBS: Färgen på prov ändras när lösningsmedlet avdunstar. Detta möjliggör följande torkningen. - Montera provet till AFM. Rikta den vertikala lasersignalen till-1.0 V. Ställ nedböjning börvärde till 0 V och engagera fribärande och ytan.
OBS: Efter att föra den fribärande i kontakt med ytan, acetofenonen rör sig in i borsten på kolloid skapar en kapillär bro mellan spetsen och ytan. - Ställ in skanningsstorleken till 40 pm, inaktivera de långsamma skannings axlarna och ange bild bildformat till 1: 4. Anteckna höjden och friktionsbild kanaler (både spår och återgång).
- När bilderna är tagna återkalla fribärande.
- Applicera en droppe vatten på PNIPAM pensel-täckta ytan, att solvatisera PNIPAM borste.
- Lyft huvudet och snabbt ersätta PMMA ytan av den solvatiserade PNIPAM ytan för att skapa den oblandbara systemet. Var snabb vid byte ytorna, för att undvika avdunstning av acetofenonen från PMMA borsten på kolloidalt sonden.
- Engagera spetsen och ytan, och spela in bilder med samma parametrar som tidigare.
Representative Results
Figur 4 visar representativa AFM kraft spår vid glidning både blandbar och oblandbara polymerborstsystem. Friktionskraften F normaliseras genom friktionskraften vid steady state glidande F sym för symmetriska, blandsystem. Den svullna borsthöjden i dessa experiment var 1,010 nm för PMMA och 532 nm för PNIPAM. Kraft spår fångas efter att ha följt det förfarande som beskrivs i protokollet avsnittet. I dessa experiment ytan flyttades fram och tillbaka med en hastighet v av 80 um / sek samtidigt som en normal belastning av 30 NN. Skillnaden i friktionskraft för bland (till vänster) och blandbara (höger panel) borstsystem kan tydligt observeras. Den stationära friktionskraft i den vänstra panelen är 90x högre än den stationära friktionskraften i högra panelen. För blandbara systemet den uppmätta friktionskraften är typiskt 0,5-2% av friktionskraften uppmätt feller biandbara systemet. Även om den exakta friktionsminskning beror på ympning tätheten, polymerisationsgrad, mängden lösningsmedel, och (svagt) på normal belastning och glidhastighet, är det alltid runt två tiopotenser. Om vi ökar glidhastigheten för det ovan beskrivna systemet med en faktor 5 (till 400 ^ m / sek), minskar friktionsminskning med 2%. Om vi ökar normal belastning med en faktor 10 (300 NN), minskar friktionsminskning med 3%.
Figur 1. Schematisk skiss av installationen. Vänster panel visar blandbar systemet, där samma polymerer ympade från ytan och kolloid. Borstarna solvatiseras i en en-fas vätska. Den högra panelen visar blandbara system med två olika polymer borstar. Varje borste solvatiseras i sin egen föredragna flytande. I traditionellblandsystem polymererna motsatta borstar lappar. För blandbara systemet, gör motsatta borstar inte interdigitate sådana att friktion och slitage under glidning minskas.
Figur 2. Schematisk skiss av provberedning procedur som beskrivs i avsnittet protokollen. Från vänster till höger visar proceduren för borst beredning via initiator nedfall och yta initierat atomöverföring radikalpolymerisering (SI ATRP). Path (A) beskriver borstarna ympade från kiselytor, (B) borstar ympade från guldbelagda kiselytor och (C) borstar ympade från guldkolloider på atomkraftsmikroskopi sonder. Klicka här för att se alArger version av denna siffra.
Figur 3. FTIR spektra av PMMA (blå) och PNIPAM (grön) borstar på kisel (tjocka linjer) och guld (tunna linjer). Den data som tas från Suppl. Mat. av Ref. 22. PMMA vågtal (cm - 1): 3,050-2,990 (CH stretching vibration), 1730 C = O (dubbelbindning stretching vibrationer), 1450 (CH 3 och CH 2 deformation vibration), 1,260-1,040 (COC enkelbindning stretching vibrations ), 880-960 (COC enkelbindning deformation vibrationer). Vid 1730 cm - 1 den karaktäristiska sträckningsvibration topp av C = O-gruppen är uppenbart PNIPAM vågtal (cm -1): 3289 (NH symmetriska och asymmetrisk sträckningsvibration), 3078, 2971, 2933, 2874 (asymmetriska och symmetriska CH stretching. vibrationer i -CH <sub> 2 -), 1635 (C = O stretching vibrationer), 1535 (amid II), 1458 (CH asymmetriska bock deformationer), 1386 (CH symmetriska bock deformationer), 1,366-1,170 (KN asymmetriska stretching vibrationer). Vid 1635 och 1535 cm - 1 de karakteristiska sträckningsvibration toppar i amidgruppen är uppenbara.
Figur 4. Medelvärde, filtreras och utjämnade kraft spår efter skjuta blandbar (vänster) och blandbara (höger) system (justeras från ref. 22). Är Ytan flyttas fram och tillbaka med 40 nm vid en genomsökning-hastighet av 1 Hz och normal belastning av 30 NN.
Discussion
De presenterade resultaten visar att friktionen, för oblandbara system av individuellt solvaterade borstar, är starkt reducerad jämfört med traditionella blandsystem två av samma solvatiserade borstar. Den föredragna absorbansen av de olika lösningsmedel i de två borstarna förhindrar borstarna från interdigiterande och följaktligen en stor källa till förslitning och nedbrytning i polymerborsten friktion elimineras. Denna metod är därför fundamentalt annorlunda från att glida torra hydrofila på hydrofoba borstar, där friktionen kommer att bestämmas av borstspecifika interaktioner 27. I själva verket, efter klippning PMMA på PNIPAM (kollapsade höjd 166 nm) utan lösningsmedel, fann vi att friktionen var 50% högre jämfört med torka PMMA på PMMA (kollapsade höjd 236 m).
Som redan påpekats inom kort i noterna i "protokollet" avsnittet, det finns ett par viktiga punkter som måste hållas i minnet när de utfördessa speciella experiment: För det första är acetofenon en bättre lösningsmedel för PNIPAM än vatten. Därför bör man se till att acetofenon inte kommer in i PNIPAM borsten genom att blöta PNIPAM borste med mycket vatten. Eftersom acetofenon och vatten inte blandar kommer acetofenonen nu inte komma in i PNIPAM borsten. Det är därför vi inte fördjupa vårt system helt i acetofenon, men i stället skapat en acetofenon kapillär för blandsystemet. En annan orsak till ofullständig nedsänkning är att fullständig nedsänkning ger alltför starka hydrodynamik, så att vi bara mätt Stokes dra på kolloid och fribärande. För det andra, i AFM experiment vrid och normala fjäderkonstanter är kopplade. Utskjutande stöd med en låg normal fjäderkonstant kommer också att ha en relativt låg vridfjäderkonstant och vice versa. Detta begränsar den lägsta mätbara friktionskoefficient> 10 -3. Således, för att mäta det fulla friktionsminskning, friktionen för miscible systemet behöver vara hög. Detta uppnås genom användning av långa hög densitet borstar och en relativt hög skjuvning hastighet av typiskt 100 m / sek. Dessutom ökar kapillären mellan borstarna även friktionskrafterna. Vi mätte lägsta friktionskoefficienten för en icke blandbar systemet 22, med μ = 0,003 under en beräknad normalspänning på 200 kPa. Med samma experimentella förhållanden, fann vi att μ = 0,15 för blandsystemet.
Notera att experimenten utfördes i en kontrollerad laboratoriemiljö och att ytor som används i industrin är inte lika perfekt som används i de presenterade experimenten. De flesta ytor har en icke enhetlig grovhet fördelning 28 och därmed många ojämnheter i olika former och storlekar. Under en kollision mellan två borstbärande skrovligheter, är friktionen består av olika avledningskanaler 29. Bredvid steady state försvinnande mekanismer, såsom interdigitaning och lösningsmedelsflödet, kommer det att finnas hysteretisk effekter i formen 30 på grund av den långsamma relaxationstiden för de polymerer och lösningsmedel. Dessutom är kapillärer bildas och bryts. I de traditionellt använda blandbar borstsystem, övergående interdigita 31 förstärker form- och kapillär hysteres. Med blandbara systemet presenteras här, är övergående interdigitering elimineras också. Dessutom kan kapillär hysteres kringgås genom applicering av två icke blandbara lösningsmedel. Därför även för den vanligare grova ytor, friktion och slitage kommer att minskas med hjälp av icke blandbar borstsystem 22. Den främsta källan till friktion som återstår är borst deformation. Förankring polyzwitterionic polymerer, vilka är kända för deras inneboende låg friktion 32, på en av ytorna kan minimera den senare. I sådana system det osmotiska trycket för lösningsmedlet är hög vilket resulterar i liten borste deformation under höga normala laster.
Denpresenterade metoden för oblandbara borstsystem kan tillämpas i nästan alla system där låg friktion är önskvärda. Metoden fungerar väl under höga tryck. Dock bör man se till att temperaturen hålls kring RT. Höga temperaturer skadar de polymerer, som kommer att orsaka vätskeflöde ut ur kontakt och följaktligen hög friktion. Exempel på potentiella användningsområden är: sprutor, kolvsystem, axellager och gångjärn.
Acknowledgments
Vi tackar M. Hempenius och E. Benetti för givande diskussioner, Y. Yu för noggrann kontroll av receptet, M. vlot för bilden designen av figur 1, C. Padberg och K. Smit för teknisk support. EK erkänner Nederländerna organisationen för vetenskaplig forskning (NWO, TOP Grant 700.56.322, makromolekylära Nanoteknik med Stimulus Responsive Polymers) för finansiellt stöd. SdB har fått stöd av Stiftelsen för grundläggande forskning om Matter (FOM), som får ekonomiskt stöd av den nederländska organisationen för vetenskaplig forskning (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).
