JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
공학

Polimer Fırçalar Karşı karışmayan hazırlanması ve Sürtünme Kuvvet Mikroskobu Ölçümleri,

Published: December 24, 2014
doi:
10.3791/52285
, , ,
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

Summary

The methodology to perform friction force microscopy experiments for contacting brushes is presented: Two polymer brushes that are grafted from (a) substrates and (b) colloidal probes are slid to show that, by using two contacting immiscible brush systems, friction in sliding contacts is reduced compared to miscible brush systems.

Abstract

Solvate polimer fırçalar iyi arayüzü düşük sürtünme korurken bir pozitif normal yük sürdürmek çünkü, yüksek basınçlı kişileri yağlamak bilinmektedir. Bununla birlikte, bu sistemler nedeniyle karşıt fırça interdigitation giymek duyarlı olabilir. Son yayında, biz substrat ve kaymak yüzeyleri sonlandırma bir karışmayan polimer fırça sistemini kullanarak, sırasıyla, böyle interdigitation ortadan kaldırabilir ki, moleküler dinamik simülasyonları ve atomik kuvvet mikroskopisi deneyler yoluyla göstermiştir. Bunun bir sonucu olarak azalır rehberde giyerler. Ayrıca, sürtünme kuvveti geleneksel karışabilir polimer fırça sistemleri ile karşılaştırıldığında, iki büyük kertesine düşüktür. Bu yeni önerilen sistem, bu nedenle sanayide uygulama için büyük bir potansiyele sahiptir. Burada, metodoloji sunulmaktadır kendi tercih çözücü tarafından solvatlandı iki farklı fırçalar her bir karışmayan polimer fırça sistemini inşa etmek. s greft nasıl prosedürOly (N -isopropylacrylamide) bir atomik kuvvet mikroskopisi (AFM), koloidal probtan gelen bir yassı yüzeye ve poli (metil metakrilat) (on PNIPAM) (PMMA) 'de tarif edilmektedir. PNIPAM asetofenon su ve PMMA solvate. Sürtünme kuvveti AFM ölçümleri ile, bu sistem için sürtünme gerçekten asetofenon içerisinde solvatlandı PMMA üzerinde PMMA karışabilen sistem ile karşılaştırıldığında, iki büyük kertesine azaltılır gösterilmiştir.

Introduction

Mükemmel yağlar sürtünmeyi azaltmak ve normal yükler yüksek bile göreceli hareket katı giymek. Bunu elde etmek için, yağ kayar ve istirahat sırasında temas içinde kalması gerekmektedir. Ancak, olumlu, normal yük altında, basit, düşük viskoziteli sıvılar hızla temas alanının dışına sıkılmış ve daha yüksek viskoziteli yağlar sonunda atılır. Ancak, biyolojik iletişim bilgileri, örneğin, insan eklemlerde, her zaman düşük viskoziteli sıvıları ile yağlanır kalır. Doğa katı yüzeylere 1 takılı şeker zincirleri kullanarak bu tür verimli yağlama gerçekleştirmektedir. hidrofil şeker zincirleri, normal basınç çözücü 2 ozmotik basıncı aşmaması koşuluyla temas sulu sıvı tutmak. Bu nedenle, çaba sözde polimer fırçalar 3-12 oluşturan katı yüzeylere polimerler aşılama yoluyla biyolojik yağları taklit yönelik olmuştur.

Ne zaman iki karşıt polimerfırçalar temas ettirildiği, bir tarafta, polimer zincirlerinin segmentleri karşı tarafında fırça zinciri parça halinde hareket edebilir. Bu etki, 13 interdigitation adlandırılır. Fırçalar göreceli sürgülü hareket olduğunda, interdigitation aşınma 14 ve sürtünme 15-17 ana kaynağıdır. Aslında, son zamanlarda, polimer fırçalar kayar sürtünme hız ilişkileri 18 elde edilmiştir. Bu ölçekleme yasalar interdigitation ve bunun sonucunda germe ve kayma sırasında polimerlerin bükülme dayanmaktadır. temel özellikleri yüzey kuvvetleri cihaz deneyleri 19 sonuçları ile kabul ve moleküler dinamiği (MD) ile 20 simülasyonları. İkincisinin ise örtüşme derecesi doğrudan ölçülebilir. Ayrıca, polielektrolit fırça arasındaki üst üste gelme, bir elektrik alanı 21 uygulanarak ayarlanabilir gösterilmiştir. Interdigitation Bu sistemlerde, sürtünme atlatılabilir ve aşınma olabilir Bu nedenle, eğer significan olurtly'ait azalır.

Son yayında 22 biz iki karışmayan solvatlanmış polimer fırça sistemleri fırçalar arasındaki örtüşme önler MD simülasyonları ile göstermiştir. Ayrıca, fırçalar sürgülü üzerine, bizim atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ölçümleri ile mükemmel bir uyum içinde, geleneksel karışabilir fırça sistemleri ile karşılaştırıldığında büyüklük iki emir ile sürtünme kuvveti bir azalma bulundu. Burada, biz Ref AFM deneylerini nasıl kurulacağı ayrıntılı olarak açıklar. 22. temel ilkesi, Şekil 1 'de çizilir. İki karşıt yüzeyler, iki farklı fırçalar, kendi tercih edilen bir çözücü ile solvatlanmış her birinde, ihtiyaç vardır. Bu konfigürasyonda, her bir fırça, kendi çözücü içinde kalır. Sonuç olarak, bir fırça Polimer segmentleri diğer fırça içine nüfuz etmez. Poli (metil metakrilat) (PMMA), AFM kolloidal probdan aşılanır ve fırça asetofenon ile solvate. Düz yüzey poli (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) aşılanmış ve su içinde çözülmüş olan. Geleneksel karışabilir sistemleri mevcut sistem karşılaştırmak için, asetofenon içerisinde solvatlandı PMMA fırça taşıyan bir ikinci düz karşı yüzey yapılır. PNIPAM üzerine PMMA karışmayan kızaklı sistem üzerine ölçülen sürtünme kuvveti PMMA üzerinde PMMA karışabilir sistemi için sürtünme yaklaşık% 1'dir. Bu özel fırça sistemlerinin kullanımı sadece bir örnek olduğuna dikkat edin. Bu çözümler genel olduğu ve bunun sonucunda farklı fırça çözücülerin tercih edilen absorbansa çalışır. Bu nedenle, fırça daha fazla türde olduğu sürece seçilen çözücüler, iki fırçalar-mix de olduğu gibi, uygulanabilir olması beklenmektedir. etki ek bir kaygan sıvı ile sıvı-kayar ara 22,23 yaratılacak şekilde (asetofenon ve su gibi) olmayan iki karıştırma çözücüler kullanılarak amplifiye edilir.

Protocol

NOT: Şekil 2 numune hazırlama prosedürünü göstermektedir. Polimer fırçaları silikon aşılanmış (Si) alt-tabakalar (yol (a)), altın kaplamalı substratlar, ve altın koloidal AFM probları (100 nm altın, (b), 10 mil Cr yapışma tabakası, yol olan silisyum üzerinde buharlaştırılmıştır) için (6 mikron çapında, yol (c)) yüzey tarafından atom-devret radikal polimerizasyonu (SI-ATRP) 24 başlatmıştır. AFM ölçümleri, dikey tarayıcı ve bir sıvı hücre meşgul, düşük gürültü kafa ile bir Multimode AFM üzerinde gerçekleştirilmiştir. 1. Numune Hazırlama Yüzey hazırlığı Silikon yüzeyler üzerinde başlatıcı biriktirme. Kloroform, sonra pirana çözeltisi ile silikon yüzeylerin temizlenmesi, daha sonra saflaştırılmış su, etanol ve kloroform ile yıkayın. 50 ul (3-aminopropil) trietoksisilan ihtiva eden bir şişe etrafında bir desikatör içine kuru alt tabakalar yerleştirin. Kurutucu zekâ tahliyeha döner kanatlı 15 dakika pompa ve sonradan kapatın. Buhar biriktirme / N O devam etmesine izin verin. Bir Erlenmeyer şişesi içinde 40 ml toluen (degased) ve 40 ul trietilamin ihtiva eden bir çözelti hazırlayın. Şişede substratlar yerleştirin ve damla damla 40 ul 2-bromo-2-metilpropionil ekleyin. Çözelti içinde oluşan tuz kristallerinin çökelmesini önlemek için, çözelti içinde alt tabakaların tutun. 4 saat süre ile çözelti karıştırılır. Etanol ve toluen ile alt-tabakaların durulayın. Daha sonra, polimerizasyon şişelere tabakaları yerleştirin. Altın yüzeylerde başlatıcı biriktirme Bir tek-tabakalı çözeltisi hazırlayın: 20 ml 2-bromo-2-metil-propionik asit 11- [11- (2-bromo-2-metil-propiyoniloksi) -undecyldisulfanyl] -undecyl ester çözülür kloroform (0.2 mM), gazı alındı. Aktarım yaklaşık Daha önce Argon ile temizlendi bir küçük şişe içinde, 1.5 ml tek tabaka çözeltisi. Kloroform ile altın kaplı yüzeylerin temizlenmesi vepiranha çözümü. Daha sonra, saflaştırılmış su, etanol ve kloroform ile yıkayın. Tek tabaka çözeltisi içine temizlenmiş yüzeylerde daldırın ve şişeyi kapatın. Mağaza O / N karanlık bir yerde. Çözücüler içine batırarak etanol ve kloroform ile altın kolloidal probları temizleyin. Tek tabakalı çözeltisi içeren flakon içine kolloidal probları daldırın. Sıkıca kapatın ve karanlık bir yerde O / N tutmak. Solüsyondan tabakaları çıkarın kloroform ve etanol ile yıkanır. Daha sonra, bir polimerizasyon başlatıcı, bir şişeye kaplanmış alt tabakaları aktarın. , Tek tabakalı çözeltisinden kolloidal probları çıkarın kloroform ve etanol ile yıkayın. Daha sonra, polimerizasyon şişe içine ayrı ayrı prob aktarın. Polimerizasyon PMMA SI-ATRP Arg ile başlatıcı kaplı yüzeylerde (Si ve altın her ikisi de) ve kolloidal sondalar içeren, şişeyi ve şişeleri Temizle30 dakika için üzerine. ATRP ortamı içinde bir 10 g metil metakrilat (MMA) içinde çözündürülür (oranı ile 10 ml metanol / su karışımı 5: 1) ve 2 saat süre ile çözelti gaz boşaltılır. 3 vakum-Ar, dolgu döngü 145 mg CuBr ve manyetik bir karıştırma çubuğu ile donatılmış bir şişe içine 320 mg 2,2-bipiridin ve deoxygenize ekleyin. (Bakır ihtiva eden) bir şişeye gazı alınmış monomer çözeltisinin aktarın ve berrak kahverengi bir çözelti elde edilene kadar 15 dakika daha karıştırılır. 2 ml şırınga bir iğne takın ve iğne ve şırınga ile argon 2-3 kez yıkayın. Kolloid prob içeren, şırınga ile 1 ml polimerizasyon çözümü çekiniz ve küçük reaksiyon şişenin içine içeriğini enjekte. Düz yüzeylerde içeren, şırınga ile kalan çözümü çekiniz ve reaksiyon şişenin içine içeriğini enjekte. Tamamen her örnek batığın için yeterli bir çözüm ekleyin. Oda sıcaklığında 40 saat süre ile polimerizasyonun gerçekleştirilmesi. TekrarPolimerizasyon çözeltiden numune hareket, çok sayıda devir etanol ve kloroform ile yıkanır. örnek boyama fırça varlığını gösterir. Son olarak, bir azot akımı altında tabakaları kurutulur. Bir nitrojen kutusunda düz alt tabakalar tutun. Mağaza polimer fırça toluen içinde sondalar değiştirilmiş. PNIPAM 10 SI-ATRP 30 dakika boyunca argon ile başlatıcı kaplı alt tabakaları (Si ve altın her ikisi de) ve kolloid probları içeren bir balon içinde ve küçük şişeler temizleyin. ATRP ortamında (1.6 mi su ve 18 mi metanol) 'de 5,6 g N -isopropylacrylamide ve 320 ul PMDETA eritin ve 2 saat süre ile çözelti gaz boşaltılır. Manyetik bir karıştırma çubuğu ile donatılmış bir şişe içine 76 mg CuBr ekleyin ve 3 vakum-Ar, dolgu döngü deoxygenize. Bakır içeren bir şişeye gazı alınmış monomer çözeltisinin aktarın. Berrak yeşil bir çözelti elde edilene kadar 15 dakika daha karıştırılır. </li> 2 ml şırınga bir iğne takın ve iğne ve şırınga ile argon 2-3 kez yıkayın. Kolloid prob içeren, şırınga ile 1 ml polimerizasyon çözümü çekiniz ve küçük reaksiyon şişenin içine içeriğini enjekte. Tüm problar için tekrarlayın. Düz yüzeylerde içeren, şırınga ile kalan çözümü çekiniz ve reaksiyon balona içeriği enjekte. Tamamen her örnek batığın için yeterli bir çözüm ekleyin. Oda sıcaklığında 2 saat süre ile polimerizasyonun gerçekleştirilmesi. Polimerizasyon çözeltiden numune alın ve çok sayıda devir boyunca etanol ve su ile yıkanır. numunenin görünen renk fırça varlığını gösterir. 0.1 M EDTA çözeltisi içine daldırın ve örnek çözüm O tutmak / N tüm bakır çıkarmak için. Saflaştırılmış su ve etanol ile yıkanır. Bir nitrojen kutusunda düz alt tabakalar tutun. Saflaştırılmış su içinde PNIPAM fırça modifiye probları saklayın. Fırça karakterizasyonu, Fourier Dönüşümü Kızılötesi (Şekil 3) NOT: Si alt tabaka üzerinde polimer fırçaları için altın substrat ve iletim FTIR modu polimer fırçaları için kullanın otlatma açı FTIR modu. Dikkatlice örnekleri kurulayın. Herhangi bir su ve kir çözücü dedektör ciddi hasara neden olabilir. Üretici tarafından sağlanan kılavuzuna göre başlatın. Örnek ölçümü için aşağıdaki parametreleri ayarlayın: 900 ve 3.700 cm arasında dağılım -1 her ölçümde 4 cm -1 ve ortalama 32 taramaları bir çözünürlüğe sahip. , Numune hazırlama için kullanılan protokole göre boş bir substrat temizleyin dikkatle kurulayın ve ölçüm odasına yerleştirin. 4 saat boyunca vakum uygula. Sonraki, bir arka plan taramasını kaydedin. Boş örnek çıkarın ve örnek odasındaki kuru polimer kaplı fırça örneği yerleştirin. Sampl vakumu uygulayınE odası ve 5 saat boyunca bir örnek tarama her 30 dakikada bir kayıt. Polimer fırça kimyasal kompozisyonu onaylamak için spektrumları tüm doruklarına belirleyin. (Sadece düz taban olan taramaları analiz.) 2. AFM Ölçüm Polimerin fazlalığını ortadan kaldırmak ve bunu kurutmak için iyi bir çözücü ile durulayın, bir iğne ile dikkatlice PMMA fırça kaplı alt tabakayı kazıyıp. AFM aracı haline örnekleri monte ve sıvı hücreye probu monte. Konsolun ucundaki lazer hizalama. Kameranın kullanımı ile, bir çizik yukarıdaki ucu hizalayın. Yaklaşan ve bahşiş yapmadan önce, tarama boyutu 0 nm ayarlayın. Sonraki, yüzeye ucu meşgul. 'Rampa modu' gidin ve kuvvet mesafesi eğrileri vasıtasıyla sapma duyarlılığı belirler. Yazılım ve burulma yay sabiti o da uygulandığı gibi 'termal ayar' kullanılarak normal yay sabiti kalibreWagner ve ark yöntemi kullanılarak konsol ön. 25 Yazılım (6.25 MHz) yüksek hızlı veri yakalama kullanarak 2 saniye havada konsolun burulma termal gürültü yakalayın. Fourier Dönüşümü kullanarak güç spektral yoğunluğu (V 2 / Hz) içine termal gürültü dönüştürün. Temel rezonans ve güç spektral yoğunluğu rezonans tepe ve taban gürültü içeren bir basit harmonik osilatör için denklem (eq. Ref 2. 25) kullanılarak havadaki konsolun kalite faktörünü belirler. Sader'den 26 yöntemini kullanarak adım 2.6.3 belirlenen konsol düzlem içi boyutlarını (uzunluk ve genişlik), yoğunluk ve çevresindeki ortam (hava) viskozite ve kalite faktörü, rezonans frekansı ile burulma yay sabiti hesaplanır. NOT: www.ampc.ms.unimelb.edu.au/afm/calibration.html: Biz John Sader'e web sitesinde verilen aracı kullanılır. Caeq konsolun burulma açısı sapması hassasiyetini lculate. 6 ve Ref 7. 25. Kolloidin boyutunu, konsol ve eq kalınlığı kullanılarak yanal yay sabiti ve saptırma duyarlılığı içine burulma bahar sabiti ve saptırma duyarlılığını dönüştürün. Ref 8. 25. NOT: Dedektör sinyal artık aracılığıyla bir kuvvet haline dönüştürülebilir: kuvvet [N] yanal yay sabiti [N / m] * = yanal sapma duyarlılığı [m / V] * dedektör sinyali [V]. Mümkün olan en düşük saptırma set değerinde bir çizik de fırça görüntüleme kuru fırça fırça yüksekliğini ölçün. Yakalanan görüntünün satır taramaları fırça yüksekliği belirleyin. Hafifçe bir şırınga ile yüzeye uygulayarak asetofenondan fırçayı solvat. Not: Çözücü buharlaştıktan numunenin rengi değişir. Bu kurutma işlemi, aşağıdaki sağlar. AFM için örnek monte edin. Dikey lazer sinyali hizalama-1.0 V 0 V sapma ayar noktasını ayarlayın ve konsol ve yüzey meşgul. Not: yüzeyi ile temas halinde konsol verdikten sonra asetofenon ucu ve yüzey arasında bir kılcal köprü oluşturarak koloit fırça içine hareket eder. 40 um tarama boyutunu ayarlayın 1 yavaş tarama eksenleri ve set görüntü en boy oranını devre dışı bırakın: 4. Yüksekliği ve sürtünme görüntü kanalları (iz ve retrace ikisi) kaydediniz. Görüntüler yakalanır zaman konsol çekme. PNIPAM fırça solvatı, PNIPAM fırça kaplı bir yüzey üzerindeki bir damla su uygulanır. Karışmayan sistemi oluşturmak için solvatlanabilir PNIPAM yüzeyi ile PMMA yüzey yerine hızlı bir şekilde başını kaldırıp. Kolloidal sonda üzerinde PMMA fırça asetofenonun buharlaşmasını önlemek için, yüzeylerin alışverişi yaparken hızlı olun. Daha önce aynı parametrelerle ucu ve yüzey ve kayıt görüntüleri Engage.

Representative Results

Şekil 4 karışabilir ve karışmayan polimer fırça sistemleri hem sürgülü üzerine temsili AFM kuvvet izlerini gösterir. sürtünme kuvveti F simetrik, karışabilir sistem F sym sürgülü kararlı durumda sürtünme kuvveti ile normalize edilir. Bu deneylerde, şişmiş fırça yüksekliği PMMA için 1010 nm ve PNIPAM 532 nm idi. kuvvet izleri Protokol bölümünde anlatılan prosedürün ardından yakalanır. 30 nN normal bir yük uygulanması sırasında, bu deneylerde, yüzey ileri geri 80 mm / sn arasında bir hız v taşındı. karışabilir (sol panel) için sürtünme kuvveti ve karışmayan (sağ panel) fırça sistemlerinde fark açıkça görülmektedir. Sol panelde kararlı durum sürtünme kuvveti sağ panelde kararlı durum sürtünme kuvvetinden daha 90x daha yüksektir. Karışmayan sistem için ölçülen sürtünme kuvveti sürtünme kuvveti ölçülen f% 0.5-2 tipikya da karışabilir sistemi. Tam sürtünme azaltma aşılama yoğunluğunda, polimerizasyon derecesi, çözücü miktarı ve (zayıf), normal yükü ve sürme hızı üzerindeki bağlı olsa da, bu iki büyüklük düzeyini yaklaşık her zaman açıktır. Bir faktörü 5 (400 mm / sn) ile, yukarıda tarif edilen sistem için kayma hızının arttırılması durumunda, sürtünme azaltma% 2 azalır. Biz (300 nN kadar) bir faktör 10 normal yükü artarsa, sürtünme azaltma% 3 oranında azalır. Şekil 1. kurulum şematik kroki. Sol panel aynı polimerler yüzey ve kolloid gelen aşılı olan karışabilir sistemini gösterir. Fırçalar, bir tek fazlı sıvı içinde çözülmüş olan. Sağ panel iki farklı polimer fırçalar karışmayan sistemini göstermektedir. Her fırça kendi tercih sıvı içinde solvatlandı edilir. Geleneksel olaraktriko çapraz örme polimerleri karışabilir sistemleri üst üste gelir. Karışmayan sistemi için, karşıt fırçalar şekilde sürtünme interdigitate yok ve azalır sürgülü sırasında giymek. Protokoller bölümünde tarif edildiği gibi örnek hazırlama prosedürünün Şekil 2 şematik kroki. Soldan sağa başlatıcı birikimi ve yüzey başlatılan atom transferi radikal polimerizasyonu (ATRP SI) ile fırça hazırlama prosedürü göstermektedir. Yol (A) atomik kuvvet mikroskopisi sondaları altın kolloidler gelen aşılı altın kaplamalı silikon yüzeyler ve (C) fırçalar aşılı silikon yüzeylerden aşılı fırçalar, (B) fırçalar açıklar. al görüntülemek için buraya tıklayınızBu rakamın arger sürümü. PMMA (mavi) ve PNIPAM (yeşil) Şekil 3. FTIR spektrumları silikon (kalın çizgiler) ve altın (ince çizgiler) üzerine fırçalar. Veri Suppl alınmıştır. Mat. Ref. 22. PMMA dalgasayıları (cm – 1): 3,050-2,990 (CH germe titreşim), 1,730 C = O (çift bağ germe titreşim), 1.450 (CH 3 CH 2 deformasyon titreşim), 1,260-1,040 (COC tek bağ germe titreşim ), 880-960 (COC tek bağ deformasyon titreşim). 1,730 cm – 1 C = O grubunun karakteristik germe titreşim tepe açıktır PNIPAM dalgasayıları (cm-1): 3,289 (NH simetrik ve asimetrik germe titreşim), 3,078, 2,971, 2,933, 2,874 (asimetrik ve simetrik CH germe. CH titreşim <alt> 2 -), 1635 (C = O gerilme titreşim), 1535 (amid II) ', 1458 (CH =, asimetrik eğilme deformasyonları); 1386 (CH simetrik eğilme deformasyonları); 1,366-1,170 (CN asimetrik uzanan titreşimleri). 1635 ve 1535 cm – amid grubu karakteristik gerilme titreşim tepe 1 görülür. Şekil 4. süzüldü, Ortalamalı ve karışabilir (solda) ve karışmayan (sağda) sürme sistemler üzerine kuvvet izleri düzeltti (Ref ayarlanabilir. 22). Yüzey 1 Hz tarama hızı ile ileri ve geri 40 mikron tarafından taşınır ve 30 nN normal yük.

Discussion

Sunulan sonuçlar, sürtünme, tek tek çözülmüş fırçaların karışmayan sistemleri için, güçlü bir şekilde, aynı solvatlanmış fırça iki geleneksel karışan sistemleri ile karşılaştırıldığında düşük olduğunu göstermektedir. İki fırça farklı çözücülerin tercih absorbans elimine edilir kenetlenme fırçaları ve polimer fırça sürtünme aşınma ve yayılımı dolayısıyla önemli bir kaynak önler. Bu çözümler, bu nedenle sürtünme fırça spesifik etkileşimler 27 tarafından belirlenecektir hidrofobik fırçalar, kuru hidrofilik kaymasını temelden farklıdır. Aslında, çözücüler olmadan PNIPAM (daraltılmış yüksekliği 166 nm) ile PMMA kesilmesi üzerine, sürtünme% 50 daha yüksek olan PMMA (daraltılmış yüksekliği 236 m) ile PMMA kuru göre bulundu.

Zaten 'Protokolü' bölümünde notlarında kısa bir süre işaret ettiği gibi, yaparken akılda tutulması gereken önemli noktalardan bir çift vardırBu özel deney: İlk olarak, asetofenon, daha iyi bir çözücü olan su daha PNIPAM içindir. Böylece, bakım asetofenon bol su ile PNIPAM fırça ıslatılarak PNIPAM fırça girmek etmemesine dikkat edilmelidir. Asetofenon ve su karışmaz yana, asetofenon şimdi PNIPAM fırça girmeyecektir. Yani asetofenondan tamamen bizim sistem batırmayın, ancak bunun yerine karışabilir sistemi için bir asetofenon kılcal oluşturulan vermedi nedeni budur. Eksik daldırma için başka bir nedeni olduğunu biz sadece kolloidin ve konsol üzerinde Stokes sürükle ölçülen şekilde çok güçlü hidrodinamik, tam daldırma sonuçları. İkincisi, AFM deneylerde burulma ve normal yay sabitleri bağlanır. Düşük normal yay sabiti ile konsollar da tersi nispeten düşük burulma bahar sabiti ve sahip olacaktır. Bu ölçülebilir en düşük sürtünme katsayısı> 10 -3 için sınırlar. Bu nedenle, yanlış tam sürtünme azaltma, sürtünme ölçmek içincible sistem yüksek olması gerekir. Bu, uzun, yüksek yoğunluklu fırçalar ve tipik olarak 100 m / sn arasında, nispeten yüksek bir kesme hızı ile elde edilir. Ayrıca, fırça arasındaki kılcal da sürtünme kuvvetlerini arttırır. Biz 200 kPa tahmini, normal stres altında μ = 0.003 olan, bir karışmayan sistemi 22, en düşük sürtünme katsayısı ölçtük. Aynı deney şartları kullanarak, μ bulundu = 0.15 karışabilir sistemi için.

Deneyler kontrollü bir laboratuar ortamında yapılmış olduğunu ve sanayide kullanılan yüzeyler sunulan deneylerde kullanılan ideal olmadığını unutmayın. Çoğu yüzeyler düzgün olmayan bir pürüz dağıtılması, farklı şekil ve boyutlarda 28 ve böylece birçok pürüzlerin var. İki fırça taşıyan pürüzleri çarpışması sırasında, sürtünme farklı dağılımı kanalları 29 üzerinden oluşur. Böyle interdigita gibi kararlı duruma Sonraki dağılımı mekanizmaları,yon ve çözücü akışı nedeniyle polimerlerin ve çözücünün yavaş gevşeme zamanı şekil 30 histeretik etki olacaktır. Ayrıca, kılcal damarlar oluşmuş ve kırık. Geleneksel olarak kullanılan karışabilir fırça sistemlerinde, geçici interdigitation 31 şekil-ve kılcal histerezis güçlendirir. Burada sunulan karışmayan sistemi ile, geçici interdigitation çok elimine edilir. Ayrıca, kılcal histeriz, iki karışmayan çözücülerin uygulanmasıyla atlatılabilir. Bu nedenle, aynı zamanda daha sık kaba yüzeyler, sürtünme ve aşınma karışmayan fırça sistemleri 22 kullanılarak azalacaktır. kalan sürtünme ana kaynağı fırça deformasyon olduğunu. Yüzeylerinin bir tanesi üzerine kendilerine özgü düşük sürtünmeli 32 için bilinen polyzwitterionic polimerleri, Sabitleme ikinci en aza indirir. Bu tür sistemlerde ozmotik basıncı yüksek normal yükler altında küçük fırça deformasyon yüksek Oluşan olduğunu.

karışmayan fırça sistemleri sunulan yöntem, düşük sürtünme arzu hemen hemen herhangi bir sisteme uygulanabilir. de yüksek basınç altında bir yöntem fonksiyonları. Ancak, bakım ısının oda sıcaklığına çevresinde tutulmasına dikkat edilmelidir. Yüksek sıcaklıklar temas ve dolayısıyla yüksek sürtünme dışarı sıvı akışını neden olur polimerler, zarar. Potansiyel uygulama örnekleri şunlardır: şırınga, piston sistemleri, aks yatakları ve menteşeler.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Biz tarifi dikkatli kontrol etmek için, verimli tartışmalar için Y. Yu M. Hempenius ve E. Benetti teşekkür, teknik destek için Şekil 1, C. padbergin ve K. Smit görüntü tasarımı M. Vlot. EK mali destek için Hollanda Bilimsel Araştırma Örgütü (NWO, TOP Grant 700.56.322, Stimulus ile makromoleküler Nanoteknoloji Duyarlı Polimerler) kabul eder. SdB mali Hollanda Bilimsel Araştırma Örgütü (NWO) tarafından desteklenen Maddenin üzerinde Temel araştırmalar Vakfı (FOM), tarafından desteklenmiştir.

Materials

Name of Material/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description
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
dithiodiundecane-11,1-diybis[2-bromo-2-methlpropanoate] (DTPR) Initiator, for Si-ATRP on gold surfaces.
Synthesized according to Macromolecules, 2000, 33,597.
Atomic Frorce Microscope Bruker Multimode V controller
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Polymer BrushesImmiscibleFriction Force MicroscopyPNIPAMPMMASolvationWear ReductionLow Friction

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image