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Engineering

Vorbereitung und Reibungskraftmikroskopie Messungen mischbar, Entgegenpolymerbürsten

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

Solvatisierten Polymerbürsten sind bekanntlich Hochdruckkontakten zu schmieren, weil sie eine positive Normallast aufrechtzuerhalten, während Aufrechterhaltung niedriger Reibung an der Schnittstelle. Dennoch können diese Systeme aufgrund Interdigitation der gegenüberliegenden Bürsten verschleißen empfindlich. In einer kürzlich erschienenen Publikation haben wir über Moleküldynamiksimulationen und Rasterkraftmikroskopie-Experimente gezeigt, dass die Verwendung eines nicht mischbaren Polymerbürstensystem zur Einstellung des Substrats und der Schieber Oberflächen bzw. können solche Verzahnung beseitigen. Infolgedessen tragen in den Kontakten vermindert. Darüber hinaus ist zwei Größenordnungen niedriger als bei traditionellen mischbare Polymerbürstensysteme die Reibungskraft. Das neu vorgeschlagene System hält daher ein großes Potenzial für die Anwendung in der Industrie. Hier ist die Methodik, um einen mischbaren Polymerbürstensystem aus zwei verschiedenen Bürsten, die jeweils durch ihre eigene bevorzugte Lösungsmittel solvatisiert Konstrukt dargestellt. Die Vorgehensweise, wie man p pfropfenoly (N-Isopropylacrylamid) (PNIPAM) von einer ebenen Fläche und Poly (methylmethacrylat) (PMMA) von einer Rasterkraftmikroskopie (AFM) kolloidales Sonde beschrieben. PNIPAM wird in Wasser und PMMA in Acetophenon solvatisiert. Via Reibkraft AFM Messungen wird gezeigt, dass die Reibung bei diesem System wird zwar von zwei Grßenordnungen gegenüber dem mischbar System PMMA auf PMMA in Acetophenon solvatisierten reduziert.

Introduction

Perfekte Schmierstoffe reduzieren Reibung und Verschleiß für Feststoffe in Relativbewegung auch bei normalen Belastungen hoch sind. Um dies zu erreichen, sollte das Gleitmittel in der Kontakt während der Gleit- und in Ruhe bleiben. Jedoch unter positivem Normallast, einfach, niedrigviskosen Flüssigkeiten werden schnell aus dem Kontaktbereich herausgedrückt und sogar höherviskosen Öle werden schließlich ausgestoßen. Dennoch biologischen Kontakte, beispielsweise in menschlichen Gelenken, bleiben bei niedrigviskosen Fluiden jederzeit geschmiert. Natur erkennt, wie effiziente Schmierung mit Zuckerketten an feste Oberflächen 1 befestigt. Die hydrophile Zuckerketten halten eine wässrige Flüssigkeit in der Kontakt sofern der Normaldruck den osmotischen Druck des Lösungsmittels 2 nicht überschreiten. Aus diesem Grund hat eine Menge Anstrengungen zur Nachahmung biologischer Schmierstoffe durch Pfropfen von Polymeren an feste Oberflächen bilden so genannte Polymerbürsten 3-12 gerichtet.

Wenn zwei gegensätzlichen PolymerBürsten in Kontakt gebracht werden können Segmente der Polymerketten auf der einen Seite in die Bürstenkettensegmente an der gegenüberliegenden Seite zu bewegen. Dieser Effekt wird Interdigitation 13 bezeichnet. Wenn sich die Bürsten in der relativen Gleitbewegung ist Interdigitation die Hauptquelle von Verschleiß und Reibung 14 15-17. Tatsächlich kurzem reibungsGeschwindigkeitsVerhältnisse für Schiebepolymerbürsten abgeleitet worden 18. Diese Skalierungsgesetze werden auf Interdigitation und die daraus resultierende Streckung und Beugung der Polymere beim Gleiten beruht. Die Hauptmerkmale stimme Ergebnisse der Oberflächenkräfte Gerät Experimenten 19 und der Molekulardynamik (MD) Simulationen 20. In letzterem ist der Grad der Überlappung kann direkt quantifiziert werden. Außerdem wurde gezeigt, dass die Überlappung zwischen Polyelektrolytbürsten kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes 21 abgestimmt werden. Wenn also Verzahnung umgangen, Reibung und Verschleiß in diesen Systemen wäre significantly reduziert.

In einer kürzlich erschienenen Publikation 22 haben wir über MD-Simulationen, die zwei nicht mischbaren solvatisierten Polymerbürstensysteme verhindern Überschneidungen zwischen den Bürsten gezeigt. Darüber hinaus beim Gleiten der Bürsten, fanden wir eine Verringerung der Reibungskraft von zwei Größenordnungen im Vergleich zu den traditionellen mischbar Bürstensysteme, in hervorragender Übereinstimmung mit unserer Rasterkraftmikroskopie (AFM) -Messungen. Hier erläutern wir im Detail, wie die AFM Experimente Ref einzurichten. 22. Das Grundprinzip ist in Figur 1 skizziert ist. An den beiden Gegenflächen, zwei verschiedene Bürsten, die jeweils durch ihre eigene bevorzugte Lösungsmittel solvatisiert, benötigt werden. In dieser Konfiguration bleibt jede Bürste in seinem eigenen Lösungsmittel. Folglich haben Polymersegmente von einer Bürste nicht in die andere Bürste durchdringen. Poly (methylmethacrylat) (PMMA) von einer AFM kolloidalen Sonde gepfropft und die Bürste wird durch Acetophenon solvatisiert. Von der flachen Oberfläche Poly (N-Isopropylacrylamid) (PNIPAM) gepfropft und in Wasser solvatisiert. Um das gegenwärtige System der traditionellen mischbaren Systemen zu vergleichen, wird eine zweite flache Gegenfläche die mit einem PMMA-Pinsel in Acetophenon solvatisiert werden. Die gemessene Reibungskraft beim Verschieben des nicht mischbaren Systems von PMMA auf PNIPAM ist ungefähr 1% der Reibung für die mischbar System PMMA auf PMMA. Man beachte, daß die Verwendung dieser besonderen Bürstensystemen ist nur ein Beispiel. Das vorgestellte Verfahren ist generisch und arbeitet aufgrund der bevorzugten Absorption der Lösungsmittel in den verschiedenen Bürsten. Daher werden mehrere Arten von Bürsten erwarteten anwendbar sein, solange die gewählten Lösungsmittel entmischen in den beiden Bürsten. Der Effekt wird durch die Verwendung von zwei nicht-Mischlösungsmittel (wie Acetophenon und Wasser) derart verstärkt, dass eine zusätzliche rutschigen Fluid-on-Flüssigkeit-Schiebe Schnittstelle 22,23 erzeugt.

Protocol

ANMERKUNG: Abbildung 2 zeigt die Probenvorbereitungsverfahren. Polymerbürsten wurden aus Silicium gepfropft (Si) -Substrate (Pfad (a)), aus Gold beschichteten Substrate (100 nm Gold verdampft am Si-Wafer mit einer 10 nm Cr-Haftschicht, Pfad (b)) und von Goldkolloid AFM-Sonden (6 & mgr; m Durchmesser, Pfad (c)) durch Oberflächen initiierte radikalische Atomtransfer-Polymerisation (SI-ATRP) 24. Die AFM-Messungen wurden auf einer Multimode AFM mit dem geräuscharmen Kopf durchgeführt, vertikale engagieren Scanner und eine Flüssigkeitszelle. 1. Probenvorbereitung Untergrundvorbereitung Initiator Abscheidung auf Siliziumoberflächen. Reinigen Sie die Siliziumsubstraten mit Chloroform, dann Piranha-Lösung, anschließend mit gereinigtem Wasser, Ethanol und Chloroform spülen. Setzen Sie die trockene Substrate in einem Exsikkator um eine Ampulle, die 50 & mgr; (3-Aminopropyl) triethoxysilan. Evakuieren Sie den Exsikkator Witzha Drehschieberpumpe für 15 Minuten und schließen Sie sie anschließend. Lassen Sie den Gasphasenabscheidung, um fortzufahren O / N. Eine Lösung aus 40 ml Toluol (entgast) und 40 ul Triethylamin in einem Erlenmeyerkolben. Legen Sie die Substrate in den Kolben und tropfenweise hinzufügen, 40 ul 2-Brom-2-methylpropionyl. Halten der Substrate in der Lösung, um die Abscheidung von Salzkristallen in Lösung zu vermeiden. Man rührt die Lösung 4 Stunden. Spülen Sie die Substrate mit Toluol und Ethanol. Als nächstes legen Sie die Substrate in die Polymerisation Fläschchen. Initiator Ablagerung auf Gold-Oberflächen Bereiten einer Monolösung: 2-Brom-2-methyl-propionsäure-11- [11- (2-Brom-2-methyl-propionyloxy) -undecyldisulfanyl] Undecyl Esters in 20 ml entgastem Chloroform (0,2 mM). Transfer ca. 1,5 ml Mono Lösung in ein kleines Fläschchen, die zuvor mit Argon gespült wurde. Reinigen Sie die gold-beschichtete Substrate mit Chloroform undPiranha-Lösung. Anschließend mit gereinigtem Wasser, Ethanol und Chloroform spülen. Tauchen Sie die gereinigten Substrate in der Monoschicht-Lösung und verschließt den Kolben. Shop O / N an einem dunklen Ort. Reinigen Sie die kolloidale Goldsonden mit Ethanol und Chloroform durch Eintauchen in die Lösungsmittel. Tauchen Sie die kolloidale Sonden in das Fläschchen mit dem Mono Lösung. Schließen Sie fest und halten Sie sie an einem dunklen Ort O / N. Entfernen Sie die Substrate aus der Lösung, wasche mit Chloroform und Ethanol. Als nächstes übertragen Sie die Initiator beschichteten Substrate in die Polymerisation Kolben. Entfernen Sie die kolloidale Sonden aus der Monoschicht-Lösung, wasche mit Chloroform und Ethanol. Als nächstes übertragen jede Sonde separat in die Polymerisation Fläschchen. Die Polymerisation SI-ATRP von PMMA Spülen Sie die Flasche und Fläschchen, die die Initiator bedeckten Substrate (beide Si und Gold) und die kolloidalen Sonden mit Argfür 30 min. Man löst 10 g Methylmethacrylat (MMA) in dem ATRP-Medium (10 ml Methanol / Wasser-Gemisch mit einem Verhältnis von 5: 1) und entgast die Lösung für 2 Std. Hinzufügen von 145 mg CuBr und 320 mg 2,2-Bipyridin in einen Kolben mit einem magnetischen Rührstab ausgestattet war, und deoxygenize um 3 vakuum Ar Abgleichzyklen. Übertragen der entgasten Monomer-Lösung in den Kolben (enthaltend das Kupfer) dazu und rühre weitere 15 Minuten, bis eine klare braune Lösung wird beobachtet. Befestigen Sie eine Nadel in ein 2-ml-Spritze und spülen Sie die Nadel und der Spritze mit Argon 2-3 mal. Ziehen Sie 1 ml Polymerisationslösung mit der Spritze aufgezogen und den Inhalt in den kleinen Reaktionsgefäß, mit dem Kolloid-Sonde. Ziehen Sie die verbleibende Lösung mit der Spritze aufgezogen und den Inhalt in das Reaktionsgefäß, das die flachen Substraten. Fügen Sie genug Lösung für jede Probe vollständig bedeckt. Leiten die Polymerisation für 40 Stunden bei Raumtemperatur. Reverschieben Sie die Proben aus der Polymerisationslösung und wäscht mit Ethanol und Chloroform in mehreren Zyklen. Die Färbung der Probe zeigt das Vorhandensein der Bürste. Schließlich trocknen die Substrate unter einem Stickstoffstrom. Halten flachen Substraten in einem Stickstoffkasten. Shop Polymerbürste modifizierten Sonden in Toluol. SI-ATRP von PNIPAM 10 Spülen Sie die Kolben und Fläschchen, die den Initiator enthält bedeckten Substrate (sowohl Si und Gold) und die Kolloid Sonden mit Argon für 30 min. Man löst 5,6 g N-Isopropylacrylamid und 320 ul PMDETA im ATRP-Medium (1,6 ml Wasser und 18 ml Methanol) und entgast die Lösung für 2 Std. Hinzufügen 76 mg CuBr werden in einen Kolben mit einem magnetischen Rührstab ausgestattet war, und deoxygenize um 3 vakuum Ar Abgleichzyklen. Übertragen der entgasten Monomer-Lösung in den Kolben gegeben, daß das Kupfer enthält. Rühre weitere 15 Minuten, bis eine klare grüne Lösung wird beobachtet. </li> Befestigen Sie eine Nadel in ein 2-ml-Spritze und spülen Sie die Nadel und der Spritze mit Argon 2-3 mal. Ziehen Sie 1 ml Polymerisationslösung mit der Spritze aufgezogen und den Inhalt in den kleinen Reaktionsgefäß, mit dem Kolloid-Sonde. Wiederholen Sie dies für alle Sonden. Ziehen Sie die verbleibende Lösung mit der Spritze aufgezogen und das Gehalt in den Reaktionskolben, mit den flachen Substraten. Fügen Sie genug Lösung für jede Probe vollständig bedeckt. Leiten die Polymerisation für 2 Stunden bei RT. Entfernen der Proben aus der Polymerisationslösung und wäscht mit Ethanol und Wasser durch mehrere Zyklen. Das erscheinende Farbe der Probe zeigt das Vorhandensein der Bürste. Tauchen Sie die Probe in 0,1 M EDTA-Lösung und halten Sie sie in der Lösung O / N, alle Kupfer zu entfernen. Mit gereinigtem Wasser und Ethanol nach. Halten Sie die flachen Substraten in einem Stickstoffkasten. Bewahren Sie die PNIPAM Bürste geändert Sonden in gereinigtem Wasser. Bürsten Charakterisierung, Fourier-Transformations-Infrarot (Figur 3) HINWEIS: Weidewinkel FTIR-Modus für Polymerbürsten auf Goldsubstrat und Übertragung FTIR-Modus für Polymerbürsten auf Si-Substrat. Trocknen Sie alle Proben sorgfältig. Alle Wasser- und Lösungsmittelkontamination kann zu schweren Schäden des Detektors führen. Starten Sie das Gerät entsprechend der Anleitung des Herstellers. Stellen Sie die folgenden Parameter für die Probenmessung: Bereich zwischen 900 und 3700 cm -1 mit einer Auflösung von 4 cm -1 und durchschnittlich 32 Scans bei jeder Messung. Reinigen Sie eine leere Substrat gemäß der für die Probenvorbereitung verwendete Protokoll, trocknen Sie vorsichtig und legen Sie sie in die Messkammer. Gib Vakuum 4 Stunden. Als nächstes nehmen Sie einen Hintergrund-Scan. Entfernen Sie die Blindprobe und legen Sie die trockenen Polymerbürste beschichteten Probe in der Probenkammer. Bewerben Vakuum im sample Kammer und nehmen Sie eine Probe-Scan alle 30 Minuten 5 Stunden. Identifiziere alle Peaks in den Spektren der chemischen Zusammensetzung des Polymerbürste zu bestätigen. (Nur analysieren die Scans mit einer geraden Basislinie.) 2. AFM-Messung Rubbeln Sie an der PMMA Pinsel abgedeckt Substrat vorsichtig mit einer Nadel, spülen Sie mit einem guten Lösungsmittel, um den Überschuss an Polymer zu entfernen und trocknen. Montieren Sie die Proben in die AFM Instrument und befestigen Sie die Sonde in die Flüssigkeit Zelle. Ausrichten des Lasers auf dem Ende des Auslegers. Bei Verwendung der Kamera Richten Sie die Spitze über einen Kratzer. Bevor man sich und Wirken mit der Spitze, setzen Sie den Scan-Größe 0 nm. Anschließend greifen die Spitze an die Oberfläche. Gehen Sie zu 'Rampenmodus' und bestimmen Sie die Ablenkempfindlichkeit über Kraftabstandskurven. Kalibrieren Sie den normalen Federkonstante mit Hilfe der "thermischen Melodie", wie in der Software und Torsionsfederkonstante o umgesetztf des Auslegers mit der Methode der Wagner et al. 25 Erfassen die Dreh thermische Rauschen des Auslegers an der Luft für 2 s unter Verwendung der Hochgeschwindigkeitsdatenerfassung in der Software (6,25 MHz). Konvertieren des thermischen Rauschens in der spektralen Leistungsdichte (V 2 / Hz) unter Verwendung der Fourier-Transformation. Bestimmen die Grundresonanz und den Gütefaktor des Auslegers an der Luft mit der Resonanzspitze in der spektralen Leistungsdichte und die Gleichung für eine einfache harmonische Oszillator mit Grundrauschen (eq. 2 Ref. 25). Berechnen der Federkonstante der Torsionsfeder mit Hilfe der gleichen Ebene liegenden Abmessungen des Auslegers (Länge und Breite), der Dichte und der Viskosität des umgebenden Mediums (Luft) und den Gütefaktor und der Resonanzfrequenz in Schritt 2.6.3 unter Verwendung des Verfahrens Sader 26 bestimmt. HINWEIS: Wir haben das Werkzeug auf der Website von John Sader vorgesehen: www.ampc.ms.unimelb.edu.au/afm/calibration.html. Calculate den Torsionswinkel Ablenkempfindlichkeit des Auslegers mit Gl. 6 und 7 der Ref. 25. Die Drehfederkonstante und Ablenkempfindlichkeit Konvertieren in das laterale Federkonstante und Ablenkempfindlichkeit mit der Größe der Kolloid, die Dicke des Auslegers und eq. 8 von Ref. 25. HINWEIS: das Detektorsignal kann nun in eine Kraft über umgewandelt werden: Kraft [N] = laterale Federkonstante [N / m] * seitliche Auslenkung Empfindlichkeit [m / V] * Detektorsignal [V]. Messen Sie die Bürstenhöhe des trockenen Pinsel durch Abbildung der Bürste in einem Kratzer zu möglichst geringen Ablenkung Sollwert. Bestimmen Sie die Bürstenhöhe von den Line-Scans des aufgenommenen Bildes. Solvat der Bürste in Acetophenon durch leichtes Aufbringen auf die Oberfläche mit einer Spritze. ANMERKUNG: Die Farbe der Probe ändert wenn das Lösungsmittel verdampft. Dies ermöglicht nach der Trocknung. Montieren Sie die Probe auf die AFM. Richten Sie die vertikale Lasersignal zu-1,0 V. Stellen Sie die Durchbiegung Sollwert auf 0 V und greifen die Freischwinger und Oberfläche. HINWEIS: Nach Bringen des Auslegers in Kontakt mit der Oberfläche bewegt sich das Acetophenon in die Bürste auf der Kolloid Schaffung eines kapillaren Brücke zwischen der Spitze und der Oberfläche. Stellen Sie die Scangröße bis 40 um, deaktivieren Sie die Langsamscanachsen und stellen Sie Bildseitenverhältnis auf 1: 4. Notieren Sie sich die Größe und die Bild Reibung Kanäle (beide Spuren und Rücklauf). Wenn die Bilder aufgenommen zurückzutreten den Ausleger. Geben Sie einen Tropfen Wasser auf der PNIPAM Pinsel bedeckten Oberfläche, um die PNIPAM-Bürsten Solvat. Heben Sie den Kopf und schnell die PMMA-Oberfläche zu ersetzen durch die solvatisierten PNIPAM Oberfläche, die nicht mischbar System zu schaffen. Seien Sie schnell beim Wechseln der Oberflächen, um die Verdampfung des Acetophenon aus dem PMMA Pinsel auf den kolloidalen Sonde zu vermeiden. Aktivieren Sie die Spitze und Oberfläche, und Aufzeichnen von Bildern mit gleichen Parametern wie zuvor.

Representative Results

Abbildung 4 zeigt repräsentative AFM Kraft Spuren beim Gleiten sowohl die mischbar sind und die nicht mischbare Polymerbürstensysteme. Die Reibungskraft F wird durch die Reibungskraft im stationären Zustand normalisiert Schiebe F sym für die symmetrische, mischbar Systems. Die geschwollenen Bürstenhöhe in diesen Experimenten war 1010 nm für PMMA und 532 nm für PNIPAM. Die Kraft, die Spuren werden nach Anschluss an die im Protokoll Abschnitt beschriebenen Verfahren erfasst. In diesen Experimenten wurde die Oberfläche hin und her mit einer Geschwindigkeit v von 80 & mgr; m / s bewegt, während eine normale Belastung von 30 nN. Der Unterschied in der Reibungskraft für das mischbare (linkes Bild) und nicht mischbar (rechts) Bürstensysteme sind deutlich zu erkennen. Die stationäre Reibungskraft im linken Fenster ist 90x höher als die stationäre Reibungskraft im rechten Bereich. Für die nicht mischbare System die gemessene Reibungskraft ist typischerweise 0,5-2% der Reibungskraft gemessen foder das mischbare Systems. Obwohl die genaue Reibungsverringerung hängt von der Einfügungsdichte, Polymerisationsgrad Menge Lösungsmittel und (schwach) von der Normallast und Gleitgeschwindigkeit, ist es immer um zwei Größenordnungen. Wenn wir erhöhen die Gleitgeschwindigkeit für die oben um den Faktor 5 (400 & mgr; m / sec) beschriebene System, verringert sich die Reibungsreduzierung von 2%. Wenn wir erhöhen die Normalbelastung um den Faktor 10 (auf 300 nN), verringert sich die Reibungsreduzierung von 3%. Abbildung 1. Schematische Darstellung des Aufbaus. Linker Bereich zeigt die mischbar System, in dem die gleichen Polymere von der Oberfläche und dem Kolloid gepfropft. Die Bürsten sind in einer einphasigen Flüssigkeit solvatisiert. Das rechte Bild zeigt die nicht mischbar System aus zwei verschiedenen Polymerbürsten. Jede Bürste ist in einem eigenen bevorzugten flüssigen solvatisierten. In der traditionellenmischbaren Systemen die Polymere der gegenüberliegenden Bürsten überlappen. Für die nicht mischbar System müssen gegenüber Bürsten nicht so, dass die Reibung ineinander greifen und Verschleiß beim Gleiten wird reduziert. Abbildung 2: Schematische Darstellung des wie im Protokoll beschrieben Probenvorbereitung. Von links nach rechts wird die Vorgehensweise von Pinsel Herstellung über Initiator Abscheidung und Oberflächen initiiert Atomtransferradikalpolymerisation (SI ATRP). Pfad (A) werden die Bürsten von Siliziumoberflächen aufgepfropft, (B) Bürsten aus Gold beschichteten Siliziumoberflächen und (C) Bürsten aus Goldkolloide für Rasterkraftmikroskopie Sonden gepfropft. Bitte klicken Sie hier, um al sehenarger Version dieser Figur. Abbildung 3. FTIR-Spektren des PMMA (blau) und PNIPAM (grün) Bürsten auf Silizium (dicke Linien) und Gold (dünne Linien). Die Daten wurden von Suppl übernommen. Mat. von Ref. 22. PMMA Wellenzahlen (cm – 1): 3,050-2,990 (CH-Streckschwingung), 1730 C = O (Doppelbindung Streckschwingung), 1450 (CH 3 und CH 2 Deformationsschwingung), 1,260-1,040 (COC Einfachbindung Streckschwingung ), 880-960 (COC Einfachbindung Deformationsschwingung). Bei 1.730 cm – 1 die charakteristische Streckschwingung Peak der C = O-Gruppe ist offensichtlich PNIPAM Wellenzahlen (cm -1): 3.289 (NH symmetrische und asymmetrische Streckschwingung), 3.078, 2.971, 2.933, 2.874 (asymmetrische und symmetrische CH Streckung. Vibrationen in CH <sub> 2 -), 1.635 (C = O Streckschwingung), 1535 (Amid II), 1458 (CH asymmetrische Biegeverformungen), 1.386 (CH symmetrischen Biegeverformungen), 1,366-1,170 (CN asymmetrische Streckschwingungen). Bei 1.635 und 1.535 cm – 1 die charakteristischen Streckschwingungspeaks der Amidgruppe sind offensichtlich. Abbildung 4. Gemittelt gefiltert und geglättet Kraft Spuren beim Gleiten die mischbar (links) und nicht mischbar (rechts) Systeme (aus Lit. angepasst. 22). Die Oberfläche ist um 40 & mgr; m vor und zurück mit einer Scan-Rate von 1 Hz bewegt und Normallast von 30 nN.

Discussion

Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die Reibung, beispiels mischbaren Systemen einzeln solvatisierten Bürsten, ist stark im Vergleich zu herkömmlichen mischbaren Systemen von zwei der gleichen solvatisierten Bürsten verringert. Das bevorzugte Absorptionsvermögen der verschiedenen Lösungsmittel, die in den beiden Bürsten verhindert, daß die Bürsten aus ineinandergreifenden und damit eine wichtige Quelle von Verschleiß und Abbau in der Polymerbürste Reibung beseitigt wird. Das vorgestellte Verfahren ist daher grundlegend von Schiebe trockene hydrophile auf hydrophoben Bürsten, wo die Reibung mit dem Pinsel-spezifischen Wechselwirkungen 27 bestimmt werden. In der Tat, auf Scherung PMMA auf PNIPAM (zusammengebrochen Höhe 166 nm) ohne Lösemittel, fanden wir, dass die Reibung war um 50% höher im Vergleich zu PMMA auf PMMA (zusammengebrochen Höhe 236 m) zu trocknen.

Wie bereits kurz darauf hingewiesen, im Anhang des Abschnitts 'Protokoll' gibt es ein paar wichtige Punkte, die bedacht werden müssen während der Durchführungdiese besonderen Experimente: Zum einen ist Acetophenon ein besseres Lösungsmittel für PNIPAM als Wasser. Daher sollte darauf geachtet werden, dass Acetophenon nicht in den PNIPAM Bürste durch Benetzung der PNIPAM Pinsel mit viel Wasser werden. Da Acetophenon und Wasser nicht mischen, wird das Acetophenon jetzt nicht in die PNIPAM Bürste. Das ist, warum wir unser System nicht vollständig eintauchen in Acetophenon, sondern erstellt eine Acetophenon Kapillare für die mischbar System. Ein weiterer Grund für unvollständige Eintauchen ist, dass ein vollständiges Eintauchen führt zu stark Hydrodynamik, so dass wir nur die gemessene Stokes Hemmschuh für die Kolloid und Freischwinger. Zweitens in AFM-Experimente die Torsions- und normalen Federkonstanten gekoppelt sind. Ausleger mit einem niedrigen normalen Federkonstante haben auch eine relativ niedrige Federkonstante der Torsionsfeder und umgekehrt. Dies begrenzt die niedrigsten messbaren Reibungskoeffizienten zu> 10 -3. Somit wird, um die vollständige Verringerung der Reibung, die Reibung der mis messencible Systems hoch sein muss. Dies wird durch Verwendung langer hoher Dichte Bürsten und einer relativ hohen Schergeschwindigkeit von typischerweise 100 m / s erreicht. Darüber hinaus ist die Kapillare zwischen den Bürsten erhöht auch die Reibungskräfte. Wir maßen die niedrigsten Reibungskoeffizienten, für eine nicht mischbare System 22, von μ = 0,003 bei einer geschätzten Normalspannung von 200 kPa. Unter Verwendung der gleichen experimentellen Bedingungen haben wir festgestellt, dass μ = 0,15 für das mischbare Systems.

Man beachte, dass die Experimente wurden in einer kontrollierten Laborumgebung durchgeführt, und dass die Oberflächen in der Industrie verwendet werden, nicht so ideal, wie in der obigen Experimente verwendet. Die meisten Flächen eine ungleichmäßige Rauheitsverteilung 28 und damit viele Unebenheiten in verschiedenen Formen und Größen. Bei der Kollision von zwei Bürstenlager Unebenheiten wird die Reibung von verschiedenen Verlustkanäle 29 zusammengesetzt ist. Neben stationären Verlustmechanismen wie interdigitation und Lösungsmittel zugeführt, ist es hysteretische Wirkungen in der Form 30 wegen des langsamen Relaxationszeit der Polymere und Lösungsmittel sein. Außerdem Kapillaren gebildet und gebrochen. In den traditionell verwendeten mischbar Bürstensysteme, vorübergehende Verzahnung 31 verstärkt Form- und Kapillare Hysterese. Mit dem hier vorgestellten System nicht mischbar ist transient Verzahnung zu eliminiert. Darüber hinaus können Kapillare Hysterese durch die Anwendung von zwei nicht mischbaren Lösungsmitteln umgangen werden. Daher auch für die häufiger rauen Oberflächen, Reibung und Verschleiß wird mit nicht mischbar Bürstensysteme 22 reduziert werden. Die Hauptquelle der Reibung, die bleibt, ist Bürste Verformung. Verankerungs polyzwitterionic Polymere, die für ihre intrinsische niedriger Reibung 32 bekannt sind, auf eine der Flächen des letzteren zu minimieren. In solchen Systemen wird der osmotische Druck des Lösungsmittels ist hoch, was in kleinen Bürste Verformung unter hohen normalen Belastungen.

Dievorgestellte Methode von nicht mischbaren Bürstensysteme können in fast jedem System, wo geringe Reibung ist wünschenswert, angewendet werden. Das Verfahren funktioniert auch bei hohen Drücken. Es sollte jedoch darauf geachtet werden, dass die Temperatur der Umgebung RT aufbewahrt. Hohe Temperaturen schädigen die Polymere, die Flüssigkeitsströmung aus der Kontakt und somit eine hohe Reibung verursacht. Beispiele für mögliche Anwendungsbereiche sind: Spritzen, Kolbensystemen, Achslager und Scharniere.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir danken M. Hempenius und E. Benetti für fruchtbare Diskussionen, Y. Yu für sorgfältiger Prüfung des Rezepts, M. Vlot für die Bildgestaltung von 1, C. Padberg und K. Smit für den technischen Support. EK erkennt die Niederländische Organisation für wissenschaftliche Forschung (NWO, TOP Grants 700.56.322, Makromolekulare Nanotechnologie mit Stimulus Responsive Polymers) für finanzielle Unterstützung. SdB wurde von der Stiftung für Grundlagenforschung auf Matter (BFM), die finanziell von der niederländischen Organisation für wissenschaftliche Forschung (NWO) unterstützt wird unterstützt.

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
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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).

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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).
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