고분자 브러쉬를 반대 섞이지의 준비 및 마찰 힘 현미경 측정,
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
매화 폴리머 브러시는 당해 계면에 저 마찰을 유지하면서 이들이 포지티브 정상 부하를 견딜 수 있기 때문에, 고압 접점을 윤활하는 것으로 알려져있다. 그럼에도 불구하고 이러한 시스템으로 인해 대향 브러쉬 맞물 입을에 민감 할 수있다. 최근 공보에서는 기판과 슬라이더 표면을 종료 비혼 화성 폴리머 브러시 시스템을 통해, 각각, 예컨대 맞물 제거 할 수 있음을, 분자 동력학 시뮬레이션 및 원자력 현미경 실험을 통해 보여준다. 결과적으로 감소되고, 콘택트 착용. 또한, 상기 마찰력은 전통적인 혼화 폴리머 브러시 시스템에 비해, 2 차의 크기 이하이다. 새롭게 제안 된 시스템은 따라서 산업의 응용 프로그램에 대한 큰 잠재력을 보유하고있다. 여기서, 방법론이 제시된다 자신 바람직한 용매로 용 매화 개의 각각 다른 브러쉬의 비혼 화성 폴리머 브러시 시스템을 구축 하였다. 페이지를 접목하는 방법을 절차OLY (N의 -isopropylacrylamide) 원 자간 력 현미경 (AFM) 탐침 콜로이드로부터 평탄면과 폴리 메틸 메타 크릴 레이트로부터 (PNIPAM) (PMMA)를 설명한다. PNIPAM는 아세토 페논 물과 PMMA에 용해된다. 마찰력 측정 AFM을 통해,이 시스템은 마찰에 실제로 페논 매화 PMMA에 혼화 PMMA의 시스템에 비해, 2 차의 크기에 의해 감소되는 것을 알 수있다.
Introduction
완벽한 윤활제는 마찰을 줄이고 정상적인 부하가 높은 경우에도 상대 운동에 고체 착용. 이를 달성하기 위해, 윤활제를 슬라이딩하고 안정 동안 접촉을 유지한다. 그러나 긍정적 정상 부하 간단 저점도 액체들이 빠르게 접촉 영역에서 압착 및 더 높은 점성 오일은 결국 방출된다. 그러나 생물학적 접점은, 예를 들면, 인간의 관절에서도 항상 저점도 유체로 윤활 유지. 자연은 고체 표면에 부착 한 당 사슬을 사용하여 이러한 효율적인 윤활을 실현한다. 친수성 당 사슬은 상압 용제 (2)의 삼투압을 초과하지 않는 한 연락처에 수성 액체를 유지한다. 따라서, 많은 노력 소위 폴리머 브러시 3-12 고체 표면을 형성하는 중합체에 그 래프팅함으로써 생물학적 윤활제를 흉내 지향되었다.
때 두 개의 반대 폴리머브러시가 접촉 한쪽 중합체 쇄 세그먼트는 반대측 브러시 쇄 세그먼트들로 이동할 수있다. 이 효과는 13 맞물라고합니다. 브러쉬가 상대적으로 슬라이딩 동작에있을 때, 인터 디지 마모 (14)와 마찰 15-17의 주요 원천입니다. 사실, 최근에, 폴리머 브러시 슬라이딩 마찰 속도의 관계는 (18)를 유도하고있다. 이러한 확장 법은 맞물과 그에 따른 스트레칭과 슬라이딩에 폴리머 굽힘을 기반으로합니다. 주요 특성은 표면 힘 장치 실험 (19)의 결과에 동의 및 분자 역학 (MD)의 20 대한 모의. 후자의 오버랩의 정도를 직접 정량화 할 수있다. 또한, 고분자 전해질 브러쉬 간의 중첩이 전기장 (21)을인가함으로써 동조 될 수있는 것으로 나타났다. 인터 디지 이러한 시스템에서, 마찰과 마모를 회피 할 수 있으면 따라서 significan 것TLY 감소.
최근 출판 (22)에서는, 두 비혼 화성 매화 폴리머 브러시 시스템은 브러쉬 사이의 중첩을 방지 MD 시뮬레이션을 통해 보여준다. 또한, 상기 브러시 슬라이딩에, 우리가 우리의 원자 힘 현미경 (AFM) 측정과 매우 잘 일치에서는 전통적인 혼화 브러시 시스템에 비해, 2 차의 크기에 의해 마찰력 감소를 알았다. 여기서 우리는 심판의 AFM 실험을 설정하는 방법을 자세히 설명합니다. 22. 기본 원리는도 1에 스케치된다. 두 반대면, 두 개의 다른 브러쉬 자신 바람직한 용매로 용 매화 각각 필요하다. 이 구성에서 각 브러쉬는 자신의 용매에 남아 있습니다. 따라서, 하나의 브러시에서 폴리머 세그먼트는 다른 브러시에 침투하지 않습니다. 폴리 메틸 메타 크릴 레이트 (PMMA)는 AFM 프로브 콜로이드로부터 그래프트되고 브러시 페논 의해 용해되었다. 평면 폴리 (N의 -isopropylacrylamide) (PNIPAM)는 이식 물에 용해된다. 전통적인 혼합 시스템에 본 시스템을 비교하기 위해, 아세토 페논에 매화 PMMA 브러시가 부착 된 제 2 플랫 반대면된다. PNIPAM에서 PMMA의 혼화 시스템 슬라이딩시 마찰력 측정 된 PMMA가 PMMA에의 혼화 시스템 마찰 대략 1 %이다. 이들 특정 브러쉬 시스템의 사용은 단지 하나의 예임을 유의. 제시된 방법은 제네릭 인해 다른 브러쉬에서 용매의 바람직한 흡수하기 위해 노력하고 있습니다. 따라서, 더 많은 종류의 브러쉬는 한 선택된 용매에서 두 브러쉬 믹스 드로서 적용될 것으로 예상된다. 효과는 추가 미끄러운 유체 온 유체 슬라이딩 22,23 인터페이스를 생성되도록 (페논 및 물과 같은) 두 개의 비 혼합 용매를 사용하여 증폭된다.
Protocol
Representative Results
Discussion
제시된 결과는 마찰 개별적 매화 브러쉬 혼화 시스템 강하게 용 매화 같은 브러쉬 두 혼화 기존 시스템에 비해 감소되는 것을 보여준다. 두 브러쉬의 다른 용매의 바람직한 흡광도를 제거 맞물 리도록에서 브러쉬 및 폴리머 브러시 마찰 마모 및 소비의 결과 주요 소스를 방지 할 수 있습니다. 제시된 방법에 따라서 마찰 브러시 특정 상호 작용 (27)에 의해 결정될 것이다 소수성 브러시, 건조한 친수성에 슬라이딩 근본적으로 다르다. 사실, 용매의 PNIPAM (붕괴 높이 166 ㎚)에 PMMA 전단에, 우리는 마찰이 50 % 높았다 PMMA (붕괴 높이 236m)에 PMMA를 건조에 비해 것을 발견했다.
이미 '프로토콜'섹션의 노트에 곧 지적한 바와 같이, 수행하는 동안 명심해야 할 중요한 점 몇 가지가 있습니다이러한 특정 실험은 첫째, 아세토 페논 더 나은 용매 물보다 PNIPAM입니다. 따라서, 치료는 아세토 페논은 많은 양의 물을 PNIPAM 브러시를 적시하여 PNIPAM 브러시를 입력하지 않도록주의해야한다. 아세토 페논과 물이 혼합되지 않기 때문에, 아세토 페논 이제 PNIPAM 브러시를 입력하지 않습니다. 그것은 우리가 아세토 페논 완전히 우리의 시스템을 담 그거나, 대신 혼합 시스템에 대한 아세토 페논 모세관을 작성하지 않은 이유입니다. 완전 침수에 대한 또 다른 이유는 우리는 콜로이드와 캔틸레버의 스톡 드래그를 측정하도록 너무 강한 유체 역학에 완전히 담가 결과. 둘째, AFM 실험에서 정상 비틀림 스프링 상수가 결합된다. 낮은 일반 스프링 상수와 캔틸레버 반대의 경우도 마찬가지 상대적으로 낮은 비틀림 스프링 상수 및있을 것이다. 이것은 가장 낮은 측정 마찰 계수> (10) -3를 제한합니다. 따라서, MIS의 전체 마찰 감소, 마찰을 측정하기 위하여cible 시스템은 높아야한다. 이것은 긴 고밀도 브러쉬 통상적 100m / sec의 상대적으로 높은 전단 속도를 사용함으로써 달성된다. 더욱이, 브러쉬 사이 모세관은 마찰력을 증가시킨다. 우리는 200 kPa로의 수직 응력 하에서 예상 μ = 0.003, 혼화 시스템 (22)에 대해, 낮은 마찰 계수를 측정 하였다. 같은 실험 조건을 사용하여, 우리는 μ 발견 = 0.15 혼합 시스템.
실험은 통제 된 실험실 환경에서 수행하고 있고 산업에서 사용되는 표면이 제시된 실험에서 사용 된 것과 같은 이상적되지 않습니다. 대부분의 표면은 불균일 한 조도 분포를 다른 모양 및 크기의 28 때문에 많은 요철이있다. 두 브러쉬 베어링 돌기의 충돌 과정에서 마찰은 다른 소비 채널 29에서 구성되어있다. 이러한 interdigita 같은 정상 상태로 다음 소산 메커니즘,기 및 용매 유동 인해 중합체 및 용매의 느린 완화 시간에 모양 (30)의 히스테리시스 효과가있을 것이다. 게다가, 모세 혈관 형성과 파괴된다. 전통적으로 사용 된 혼화 브러시 시스템에서, 과도 맞물 31까지 형태와 모세관 히스테리시스를 증폭한다. 여기에 제시된 혼합되지 않는 시스템으로 과도 맞물 너무 제거된다. 또한, 모세관 히스테리시스 두 비혼 화성 용매의인가에 의해 회피 될 수있다. 따라서, 또한 일반적인 거친 표면, 마찰 및 마모 섞이지 브러시 시스템 (22)을 사용하여 감소합니다. 남아 마찰의 주요 소스는 브러시 변형이다. 표면 중 하나 상에 내재 저 마찰 32 알려져있다 polyzwitterionic 중합체, 정박 후자를 최소화 할 수있다. 이러한 시스템에서 용매 삼투압 높은 정상 부하에서 약간 변형 브러시 높은 결과 만들어진이다.
비혼 화성 브러쉬 시스템의 제시된 방법은 낮은 마찰이 바람직한 거의 모든 시스템에 적용될 수있다. 또한 높은 압력 아래 방법 기능. 그러나, 용품은 RT 주위 온도가 유지되는 것을주의해야한다. 높은 온도는 접촉 결과적으로 높은 마찰에서 액체 흐름의 원인이됩니다 폴리머를 손상. 잠재적 응용의 예 : 주사기 피스톤 시스템, 액슬 베어링과 힌지.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 조리법의주의 깊은 검사에, 유익한 토론 Y. 유 M. Hempenius 및 E. 베네 감사, 기술 지원에 대한 그림 1, C. Padberg 및 K. 스 미트의 이미지를 디자인에 대한 M. Vlot. EK 금융 지원을위한 과학 연구에 대한 네덜란드기구 (NWO, TOP 그랜트 700.56.322, 자극과 거대 분자 나노 기술 응답 폴리머)를 인정한다. SDB는 재정적으로 과학 연구에 대한 네덜란드기구 (NWO)에 의해 지원되는 물질에 관한 기초적 연구 재단 (FOM)에 의해 지원되었다.
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).
