إعداد والاحتكاك قوة المجهر قياسات للامتزاج، معارضة فرش بوليمر
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
ومن المعروف جيدا فرش البوليمر الإذابة بالإكترونات لتليين الاتصالات ذات الضغط العالي، لأنها يمكن أن الحفاظ على الحمل الطبيعي الإيجابي مع الحفاظ على الاحتكاك المنخفض في واجهة. ومع ذلك، يمكن لهذه الأنظمة أن تكون حساسة لارتداء نظرا لتشابك من فرش معارضة. في منشور صدر مؤخرا، لقد أظهرنا عبر ديناميات المحاكاة الجزيئية والتجارب قوة المجهر الذرية، أن استخدام نظام فرشاة البوليمر إمتزاج إنهاء الركيزة والسطوح المنزلق، على التوالي، يمكن القضاء على مثل تشابك. ونتيجة لذلك، وارتداء في الاتصالات هو انخفاض. وعلاوة على ذلك، فإن قوة الاحتكاك هي طلبين من حجم أقل مقارنة بأنظمة فرشاة غير قابلة للامتزاج البوليمر التقليدية. ولذا فإن هذا النظام المقترح حديثا يحمل إمكانات كبيرة لتطبيقها في الصناعة. هنا، فإن المنهجية لبناء نظام فرشاة البوليمر إمتزاج اثنين من فرش مختلفة في كل الإذابة بالإكترونات بواسطة المذيبات المفضل الخاصة بهم وتقدم. الإجراء كيفية تطعيم صيوصف OLY (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) من سطح مستو وبولي (ميتاكريليت الميثيل) (PMMA) من مجهر القوة الذرية (AFM) التحقيق الغروية. والإذابة بالإكترونات PNIPAM في الماء وPMMA في acetophenone. عبر قياسات AFM قوة الاحتكاك، فإنه يظهر أن الاحتكاك لهذا النظام هو انخفاض في الواقع من قبل اثنين من أوامر من حجم بالمقارنة مع نظام غير قابلة للامتزاج من PMMA على PMMA الإذابة بالإكترونات في acetophenone.
Introduction
مواد التشحيم مثالية تقلل الاحتكاك وارتداء للمواد الصلبة في الحركة النسبية حتى عندما الاحمال العادية مرتفعة. ولتحقيق ذلك، ينبغي أن يظل زيوت التشحيم في اتصال أثناء انزلاق و إراحته. ومع ذلك، تحت الحمل الطبيعي إيجابي، وتقلص بسيطة، والسوائل منخفضة اللزوجة بسرعة للخروج من منطقة التماس وطرد الزيوت أعلى من اللزوجة في نهاية المطاف. ومع ذلك، والاتصالات البيولوجية، على سبيل المثال، في مفاصل الإنسان، لا تزال مشحم مع السوائل منخفضة اللزوجة في جميع الأوقات. طبيعة تدرك هذا تزييت كفاءة استخدام سلاسل السكر تعلق على الأسطح الصلبة 1. سلاسل السكر ماء تبقي السائل المائي في الاتصال شريطة أن يكون الضغط العادي لا يتجاوز الضغط الاسموزي من المذيبات 2. ولذلك، فإن الكثير من الجهد قد وجهت نحو محاكاة مواد التشحيم البيولوجية عن طريق تطعيم البوليمرات على الأسطح الصلبة تشكيل ما يسمى فرش البوليمر 3-12.
عندما اثنين من البوليمر المنافسيتم إحضارها فرش في الاتصال، ويمكن أن قطاعات من سلاسل البوليمر على جانب واحد يتحرك في قطاعات سلسلة فرشاة في الجانب المعاكس. وهذا ما يسمى تأثير تشابك 13. عندما الفرش هي في الحركة النسبية انزلاق، تشابك هي المصدر الرئيسي للملابس 14 والاحتكاك 15-17. في الواقع، في الآونة الأخيرة، والعلاقات الاحتكاك السرعة للانزلاق فرش البوليمر وقد استمدت 18. وتستند هذه القوانين التوسع في تشابك ويترتب على ذلك التمدد والانحناء من البوليمرات على انزلاق. الخصائص الرئيسية تتفق مع نتائج التجارب سطح الجهاز قوات 19 والديناميات الجزيئية (MD) المحاكاة 20. في الأخير على درجة من التداخل يمكن كميا مباشرة. وعلاوة على ذلك، فقد تبين أن التداخل بين فرش متضاعف الكتروليتي يمكن ضبطها من خلال تطبيق حقل كهربائي 21. وهكذا، إذا تشابك يمكن التحايل، والاحتكاك وارتداء في هذه الأنظمة سيكون significanانخفاض TLY.
في منشور صدر مؤخرا 22 أظهرنا عن طريق المحاكاة MD أن اثنين من إمتزاج أنظمة فرشاة البوليمر الإذابة بالإكترونات تمنع التداخل بين الفرش. وعلاوة على ذلك، عند انزلاق الفرش، وجدنا انخفاضا من قوة الاحتكاك من قبل اثنين من أوامر من حجم بالمقارنة مع أنظمة فرشاة قابلة للامتزاج التقليدية، في اتفاق ممتازة مع لدينا قوة المجهر الذري (AFM) القياسات. هنا، نحن يشرح بالتفصيل كيفية إعداد التجارب AFM المرجع. ورسمت 22. المبدأ الأساسي في الشكل 1. وعلى اثنين من مكافحة السطوح، واثنين من فرش مختلفة، كل الإذابة بالإكترونات بواسطة المذيبات المفضل الخاصة بهم، وهناك حاجة. في هذا التكوين لا يزال كل فرشاة في المذيبات الخاص بها. ونتيجة لذلك، شرائح البوليمر من فرشاة واحدة لا تخترق فرشاة أخرى. والمطعمة بولي (ميتاكريليت الميثيل) (PMMA) من التحقيق الغروية AFM والإذابة بالإكترونات الفرشاة التي كتبها acetophenone. من بولي سطح مستو (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) والمطعمة والإذابة بالإكترونات في الماء. للمقارنة بين النظام الحالي لأنظمة غير قابلة للامتزاج التقليدية، يتم إجراء الثاني شقة مكافحة سطح تحمل فرشاة PMMA الإذابة بالإكترونات في acetophenone. قوة الاحتكاك تقاس على انزلاق النظام إمتزاج من PMMA على PNIPAM ما يقرب من 1٪ من الاحتكاك لنظام غير قابلة للامتزاج من PMMA على PMMA. لاحظ أن استخدام هذه الأنظمة فرشاة معينة هو مجرد مثال واحد. الطريقة المعروضة هو عام ويعمل بسبب الامتصاصية فضل من المذيبات في فرش مختلفة. لذلك، من المتوقع أن تكون قابلة للتطبيق، ما دام المذيبات اختيار إزالة والمزيج في فرش اثنين من أكثر أنواع الفرش. يتم تضخيمه تأثير باستخدام اثنين من المذيبات غير لخلط (مثل acetophenone والماء) بحيث يتم إنشاء السائل على اساس انزلاق السائل زلق اضافية اجهة 22،23.
Protocol
Representative Results
Discussion
وتظهر النتائج المقدمة أن الاحتكاك، لأنظمة إمتزاج من الفرش الإذابة بالإكترونات بشكل فردي، يتم تقليل بقوة بالمقارنة مع أنظمة غير قابلة للامتزاج التقليدية لاثنين من نفس فرش الإذابة بالإكترونات. الامتصاصية المفضل للمذيبات مختلفة في فرش اثنين يمنع فرش من interdigitating وبالتالي مصدرا رئيسيا للملابس وتبديد في الاحتكاك فرشاة البوليمر هو القضاء. وبالتالي فإن الطريقة المعروضة تختلف اختلافا جوهريا عن انزلاق محبة للماء جافة على الفرش مسعور، حيث سيتم تحديد الاحتكاك بواسطة التفاعلات فرشاة محددة 27. في الواقع، عند القص PMMA على PNIPAM (انهارت ارتفاع 166 نانومتر) دون المذيبات، وجدنا أن الاحتكاك كان أعلى بنسبة 50٪ مقارنة لتجف PMMA على PMMA (انهارت ارتفاع 236 م).
كما سبق أن ذكرنا قريبا في الملاحظات من قسم 'بروتوكول'، وهناك زوجين من النقاط الحاسمة التي تحتاج إلى أن يوضع في الاعتبار أثناء أداءهذه التجارب معينة: أولا، acetophenone هو أفضل مذيب للPNIPAM من الماء. وبالتالي، ينبغي الحرص على أن acetophenone لا يدخل الفرشاة PNIPAM عن طريق تبليل فرشاة PNIPAM مع الكثير من الماء. منذ acetophenone والماء لا يختلطان، فإن acetophenone الآن لم تدخل فرشاة PNIPAM. هذا هو السبب في أننا لم تزج نظامنا تماما في acetophenone، ولكن بدلا من ذلك خلق الشعرية acetophenone لنظام غير قابلة للامتزاج. وهناك سبب آخر لغمر ناقصة غير أن النتائج غمر كاملة في الهيدروناميكا قوية جدا، بحيث يمكننا قياس فقط السحب ستوكس على الغروانية وناتئ. ثانيا، في تجارب AFM تقترن الثوابت الربيع التوائية وطبيعية. سوف الكابولي مع انخفاض ثابت ربيع الطبيعي أيضا أن يكون منخفض نسبيا ثابتة الربيع التوائية، والعكس بالعكس. وهذا يحد من أدنى معامل الاحتكاك للقياس ل> 10 -3. وهكذا، من أجل قياس تخفيض الاحتكاك الكامل، والاحتكاك لسوءيحتاج نظام cible أن تكون عالية. ويتحقق ذلك عن طريق استخدام طويلة فرش عالية الكثافة وسرعة القص عالية نسبيا من عادة 100 م / ثانية. وعلاوة على ذلك، الشعرية بين فرش يزيد أيضا من قوى الاحتكاك. قمنا بقياس معامل أدنى احتكاك، لنظام إمتزاج 22، من μ = 0.003 تحت الضغط العادي تقدر ب 200 كيلو باسكال. باستخدام نفس الظروف التجريبية، وجدنا أن μ = 0.15 لنظام غير قابلة للامتزاج.
لاحظ أن أجريت التجارب في بيئة معملية رقابة وأن الأسطح المستخدمة في صناعة ليست مثالية كما تستخدم في التجارب المعروضة. معظم الأسطح لديها توزيع خشونة غير موحدة 28 وبالتالي asperities عديدة من مختلف الأشكال والأحجام. خلال اصطدام اثنين asperities الحاملة للفرشاة، ويتكون من الاحتكاك من قنوات مختلفة تبديد 29. آليات تبديد القادمة إلى الحالة المستقرة، مثل interdigitaنشوئها وتدفق المذيبات، وسوف تكون هناك آثار hysteretic في شكل 30 بسبب الوقت الاسترخاء البطيء للبوليمرات والمذيبات. الى جانب ذلك، يتم تشكيل الشعيرات الدموية وكسر. في النظم فرشاة قابلة للامتزاج المستخدمة تقليديا، تشابك عابر 31 يضاعف التباطؤ shape- والشعرية. مع نظام إمتزاج المعروضة هنا، يتم التخلص من تشابك عابرة جدا. وعلاوة على ذلك، التباطؤ الشعرية يمكن التحايل من خلال تطبيق اثنين من المذيبات إمتزاج. ولذلك، أيضا لأسطح خشنة أكثر شيوعا، والاحتكاك وارتداء سيتم تخفيض باستخدام أنظمة فرشاة إمتزاج 22. المصدر الرئيسي للاحتكاك الذي لا يزال هو تشوه الفرشاة. يمكن ترسيخ البوليمرات polyzwitterionic، والتي من المشهود لهم احتكاك منخفضة جوهري 32، على أحد الأسطح تقليل الأخير. في مثل هذه الأنظمة الضغط الاسموزي من المذيب هو الناتجة عالية في تشوه فرشاة صغيرة تحت الأحمال طبيعية عالية.
الالطريقة المعروضة نظم فرشاة إمتزاج يمكن تطبيقها في أي نظام حيث الاحتكاك المنخفض أمر مرغوب فيه. وظائف الطريقة جيدا تحت الضغوط العالية. ومع ذلك، ينبغي الحرص على أن يتم الإبقاء على حرارة حول RT. درجات الحرارة المرتفعة تضر البوليمرات، والذي يؤدي السائل للتدفق من الاتصال والاحتكاك عالية بالتالي. أمثلة على التطبيق المحتمل هي: المحاقن، وأنظمة المكبس، محامل محور والمفصلات.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر M. Hempenius وE. بينيتي لإجراء مناقشات مثمرة، Y. يو لفحص دقيق للصفة، M. Vlot لتصميم صورة الشكل رقم 1، C. Padberg وK. سميت على الدعم التقني. يعترف EK المنظمة الهولندية للبحوث العلمية (NWO، TOP غرانت 700.56.322، الجزيئات تقنية النانو مع التحفيز البوليمرات المستجيبة) للحصول على الدعم المالي. وقد تم دعم زنة من قبل مؤسسة للبحوث الأساسية في المواد (FOM)، وهو مدعوم ماليا من قبل المنظمة الهولندية للبحوث العلمية (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 | ||
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).
