Preparazione e attrito Forza Microscopia Misure di Immiscibile, Opposing Pennelli Polymer
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
Spazzole polimeriche solvatato sono ben noti per lubrificare contatti ad alta pressione, perché possono sostenere un carico normale positiva mantenendo basso attrito all'interfaccia. Tuttavia, questi sistemi possono essere sensibili ad usura per interdigitation delle spazzole opposte. In una recente pubblicazione, abbiamo dimostrato tramite simulazioni di dinamica molecolare ed esperimenti vigore microscopia atomici, che utilizza un sistema di spazzole polimero immiscibile chiude il substrato e le superfici di scorrimento, rispettivamente, può eliminare tale interdigitation. Di conseguenza, l'usura nei contatti viene ridotta. Inoltre, la forza di attrito è di due ordini di grandezza inferiore rispetto ai sistemi tradizionali spazzole polimeriche miscibile. Questo sistema appena proposto tiene quindi un grande potenziale per l'applicazione nel settore industriale. Qui, la metodologia di costruire un sistema di spazzole polimero immiscibile di due diverse spazzole ciascuno solvatate dal proprio solvente preferito è presentato. La procedura come innestare poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) da una superficie piana e poli (metilmetacrilato) (PMMA) da un microscopio a forza atomica (AFM) sonda colloidale è descritto. PNIPAM è solvatato in acqua e PMMA in acetofenone. Via forza di attrito misure AFM, è dimostrato che l'attrito per questo sistema è effettivamente ridotto di due ordini di grandezza rispetto al sistema di PMMA miscibile in PMMA solvato di acetofenone.
Introduction
Perfetto lubrificanti riducono l'attrito e l'usura per i solidi in moto relativo, anche quando i carichi normali sono alti. Per ottenere questo, il lubrificante deve rimanere in contatto durante scorrevole ea riposo. Tuttavia, sotto un carico normale positiva, semplici, liquidi a bassa viscosità sono rapidamente spremuto fuori della zona di contatto e oli anche maggiore viscosità vengono espulsi casualmente. Tuttavia, contatti biologiche, ad esempio, in articolazioni umane, rimangono lubrificati con fluidi a bassa viscosità in ogni momento. Natura realizza tale lubrificazione efficace utilizzando catene di zuccheri collegati a superfici solide 1. Le catene di zuccheri idrofile mantenere un liquido acquoso in contatto condizione che la pressione normale non superi la pressione osmotica del solvente 2. Pertanto, un grande sforzo è stato diretto verso imitando lubrificanti biologici da polimeri a superfici solide che formano i cosiddetti pennelli polimero 3-12 innesto.
Quando due polimero avversariospazzole vengono portati a contatto, i segmenti delle catene polimeriche da un lato possono muoversi nei segmenti della catena spazzola sul lato opposto. Questo effetto è chiamato interdigitation 13. Quando le spazzole sono in movimento di scorrimento relativo, interdigitation è la principale fonte di usura e di attrito 14 15-17. Infatti, recentemente, i rapporti attrito velocità di scorrimento spazzole polimeriche sono stati derivati 18. Queste leggi di scala sono basate sul interdigitation e la conseguente stiramento e curvatura dei polimeri sopra scorrevole. Le caratteristiche principali sono d'accordo con i risultati di superficie forze apparecchi esperimenti 19 e di dinamica molecolare (MD) simulazioni 20. In quest'ultimo il grado di sovrapposizione può essere quantificato direttamente. Inoltre, è stato dimostrato che la sovrapposizione tra le spazzole polielettroliti può essere regolato applicando un campo elettrico 21. Quindi, se interdigitation può essere aggirata, l'attrito e l'usura in questi sistemi sarebbe significanTLY ridotta.
In una recente pubblicazione 22 abbiamo dimostrato tramite simulazioni MD che due sistemi spazzole polimero immiscibili solvatate impediscono sovrapposizione tra le spazzole. Inoltre, su scorrevoli le spazzole, abbiamo trovato una diminuzione della forza di attrito di due ordini di grandezza rispetto ai tradizionali sistemi di spazzole miscibili, in eccellente accordo con la microscopia a forza atomica (AFM) misurazioni. Qui spieghiamo in dettaglio come impostare gli esperimenti AFM di Ref. 22. Il principio di base è schematizzato in Figura 1. Sui due contro-superfici, due spazzole differenti, ciascuna solvato dal proprio solvente preferito, sono necessari. In questa configurazione ogni spazzola rimane nel suo solvente. Di conseguenza, i segmenti polimerici da una spazzola non penetrano l'altra spazzola. Poly (metilmetacrilato) (PMMA) è innestato da una sonda colloidale AFM e la spazzola è solvatato da acetofenone. Dal poli superficie piana (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) si innesta e solvatato in acqua. Per confrontare il sistema attuale di sistemi miscelabili tradizionali, un secondo appartamento piano di contrasto che porta un pennello PMMA solvatato in acetofenone è fatto. La forza di attrito di scorrimento misurata sul sistema immiscibile di PMMA su PNIPAM è di circa 1% di attrito per il sistema di PMMA miscibile in PMMA. Si noti che l'utilizzo di questi particolari sistemi di spazzole è solo un esempio. Il metodo proposto è generico e funziona grazie alla assorbanza preferita dei solventi nei diversi pennelli. Pertanto, più tipi di spazzole dovrebbero essere applicabili, purché i solventi scelti de-mix nei due spazzole. L'effetto viene amplificato utilizzando due solventi non-miscelazione (come acetofenone e acqua) tale che viene creato un fluido-on-liquido-scorrevole sdrucciolevole supplementare interfaccia 22,23.
Protocol
Representative Results
Discussion
I risultati presentati mostrano che l'attrito, per sistemi immiscibili di spazzole solvatate singolarmente, è fortemente ridotta rispetto ai sistemi tradizionali di miscibili due delle stesse spazzole solvatate. L'assorbanza preferito dei diversi solventi nei due spazzole impedisce le spazzole da interdigitate e di conseguenza una grande fonte di usura e dissipazione spazzola polimerica attrito viene eliminata. Il metodo proposto è dunque fondamentalmente diverso scivolamento idrofilo secco sulle spazzole idrofobiche, dove l'attrito sarà determinata dalle interazioni specifiche spazzola 27. In realtà, su taglio PMMA su PNIPAM (crollato altezza 166 nm), senza solventi, abbiamo scoperto che l'attrito era superiore del 50% rispetto ad asciugare PMMA in PMMA (crollato altezza 236 m).
Come già sottolineato in breve nelle note della sezione 'protocollo', ci sono un paio di punti cruciali che devono essere tenuti in considerazione durante l'esecuzionequeste particolari esperimenti: in primo luogo, acetofenone è una migliore solvente per PNIPAM dell'acqua. Pertanto, occorre prestare attenzione che acetofenone non entra il pennello PNIPAM bagnando il pennello PNIPAM con abbondante acqua. Poiché acetofenone e acqua non si mescolano, il acetofenone ora non entrare nel pennello PNIPAM. Ecco perché non abbiamo immergiamo il nostro sistema completamente in acetofenone, ma invece creato un capillare acetofenone per il sistema miscibile. Un altro motivo per l'immersione incompleta è che i risultati immersione completa in idrodinamica troppo forti, in modo tale che abbiamo misurato solo la resistenza Stokes sul colloide e cantilever. In secondo luogo, in esperimenti AFM costanti molla di torsione e normali sono accoppiati. Cantilever con costante elastica bassa normale avranno anche una costante della molla di torsione relativamente basso e viceversa. Questo limita il coefficiente di attrito minimo misurabile a> 10 -3. Pertanto, al fine di misurare la riduzione dell'attrito piena, l'attrito per le misSistema cible deve essere elevato. Questo è ottenuto utilizzando spazzole lunghe ad alta densità e una velocità relativamente elevata di taglio tipicamente 100 m / sec. Inoltre, il capillare tra le spazzole aumenta anche le forze di attrito. Abbiamo misurato il coefficiente di attrito più basso, per un sistema immiscibile 22, di μ = 0.003 sotto uno stress normale stimato di 200 kPa. Utilizzando le stesse condizioni sperimentali, abbiamo trovato che μ = 0,15 per il sistema miscibile.
Si noti che gli esperimenti sono stati eseguiti in un ambiente di laboratorio controllato e che le superfici utilizzate nell'industria non sono ideali come usato negli esperimenti presentati. La maggior parte delle superfici hanno una distribuzione non uniforme rugosità 28 e quindi molte asperità di diverse forme e dimensioni. Durante la collisione di due asperità pennello-cuscinetto, l'attrito è composto da diversi canali di dissipazione 29. Accanto a stato stazionario meccanismi di dissipazione, come interdigitalizione e flusso di solvente, ci saranno effetti isteretici a forma 30 a causa del tempo di rilassamento lento dei polimeri e solventi. Inoltre, i capillari sono formate e rotti. Nei sistemi spazzole miscibile tradizionalmente utilizzati, interdigitation transitoria 31 amplifica isteresi forma- e capillare. Con il sistema immiscibile qui presentato, interdigitation transitoria viene eliminato anche. Inoltre, capillare isteresi può essere aggirato mediante l'applicazione di due solventi immiscibili. Pertanto, anche per il superfici ruvide più comune, l'attrito e l'usura sarà ridotto utilizzando sistemi di spazzole immiscibile 22. La principale fonte di attrito che rimane è spazzola deformazione. Ancoraggio polimeri polyzwitterionic, che sono noti per la loro intrinseca basso attrito 32, su una delle superfici può minimizzare quest'ultimo. In tali sistemi la pressione osmotica del solvente è elevata risultante in poca deformazione spazzola sotto alti carichi normali.
Ilmetodo presentato dei sistemi di spazzole immiscibili può essere applicato in qualsiasi sistema in cui basso attrito è desiderabile. Le funzioni metodo ben sotto pressioni elevate. Tuttavia, occorre prestare attenzione che la temperatura è mantenuta intorno RT. Le temperature elevate danneggiano i polimeri, che causerà liquido flusso di contatto e conseguentemente elevato attrito. Esempi di potenziali applicazioni sono: siringhe, sistemi a pistoni, cuscinetti dell'asse e cerniere.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo M. Hempenius e E. Benetti per le discussioni fruttuose, Y. Yu un attento controllo della ricetta, M. Vlot per la progettazione immagine di figura 1, C. Padberg e K. Smit per il supporto tecnico. EK riconosce l'Organizzazione olandese per la ricerca scientifica (NWO, TOP di Grant 700.56.322, Macromolecole nanotecnologia con Stimolo Polymers Responsive) per il sostegno finanziario. SdB è stato sostenuto dalla Fondazione per la ricerca fondamentale sulla Materia (FOM), che è finanziato dalla Organizzazione olandese per la ricerca scientifica (NWO).
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 | ||
Referências
- 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).
