Подготовка и трение силовой микроскопии Измерения НЕСМЕШИВАЮЩЕЙСЯ, противопоставляя полимерные щетки
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
Сольватированные полимерные щетки хорошо известны, чтобы смазать контакты высокого давления, поскольку они могут выдержать положительное нормальную нагрузку, сохраняя при этом низкий коэффициент трения на границе. Тем не менее, эти системы могут быть чувствительны к износу в результате разобщение из противоположных щеток. В недавней публикации, мы показали, с помощью молекулярной динамики моделирования и экспериментов атомно-силовой микроскопии, что с помощью несмешиваемой полимерной системы кисти прекращении подложки и ползунок поверхности, соответственно, может устранить такое смыкание зубов. Как следствие, износ в контактах уменьшается. Кроме того, сила трения на два порядка ниже по сравнению с традиционными системами смешивается полимерных щеток. Таким образом, этот недавно предложенная система имеет большой потенциал для применения в промышленности. Здесь методология построения несмешиваемой полимер кисти систему из двух различных щеток каждого сольватированных своей предпочтительного растворителя представлена. Процедура, как привить рOly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) от плоской поверхности и поли (метилметакрилата) (PMMA) с атомно-силовой микроскопии (АСМ) коллоидного зонда описано. PNIPAM сольватирован в воде и ПММА в ацетофеноном. Via АСМ сила трения, показано, что трение для этой системы действительно снижается на два порядка по сравнению с смешиваемом системы ПММА ПММА, сольватированного в ацетофеноном.
Introduction
Совершенные смазочные материалы уменьшают трение и износ твердых тел в относительном движении, даже когда нормальные нагрузки высокие. Чтобы достичь этого, смазка должна оставаться в контакте при скольжении и в состоянии покоя. Тем не менее, при положительном нормальной нагрузке, простые, с низкой вязкостью жидкости быстро выдавливается из зоны контакта и даже выше вязкости масла выслан в конце концов. Тем не менее, биологические контакты, например, в суставах человека, остаются смазанными с низкой вязкостью жидкости во все времена. Природа реализует такую эффективную смазку с помощью сахара цепей, присоединенных к твердым поверхностям 1. Гидрофильные цепи сахара сохранить водную жидкость в контакте при условии, что нормальное давление не превышает осмотическое давление растворителя 2. Таким образом, много усилий было направлено на подражая биологических смазочных материалов путем прививки полимеров к твердым поверхностям, образуя так называемые полимерные щетки 3-12.
Когда два соперника полимеркисти приводят в контакт, сегменты полимерных цепей с одной стороны может двигаться в сегментах щетки цепи на противоположной стороне. Этот эффект называется смыкание зубов 13. Когда кисти находятся в относительном скользящим движением, разобщение является основным источником износа 14 и трения 15-17. На самом деле, в последнее время, трения скорость отношения для раздвижных полимерные щетки были получены 18. Эти масштабные законы основаны на разобщение и последующее растяжение и изгиб полимеров при скольжении. Основные характеристики согласуются с результатами поверхностных сил аппарата экспериментов 19 и молекулярной динамики (МД) симуляции 20. В последнем степень перекрытия могут быть непосредственно определены количественно. Кроме того, было показано, что перекрытие между полиэлектролитных щеток могут быть настроены путем приложения электрического поля 21. Таким образом, если разобщение можно обойти, трение и износ в этих системах будет significanTLY снижается.
В недавней публикации 22 мы показали с помощью МД, что два несмешивающихся Сольватированные полимерных систем кисти избежать дублирования между щетками. Кроме того, при скольжении кисти, мы обнаружили, снижение силы трения на два порядка величины по сравнению с традиционными смешивающихся систем кисти, в прекрасном согласии с нашей атомно-силовой микроскопии (АСМ) измерений. Здесь мы подробно объяснить, как настроить АСМ экспериментах. 22. Основной принцип схематически на фиг.1. На две противоположные поверхности, два различных щеток, каждая сольватированной собственным предпочтительном растворителе, необходимы. В этой конфигурации каждый щетки остается в своем собственном растворителе. Следовательно, полимерные сегменты из одной щетки не проникают в другой щетки. Поли (метилметакрилат) (ПММА) привит из коллоидного зонда АСМ, и щетка сольватирован ацетофенона. От плоской поверхности поли (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) привит и сольватированные в воде. Для сравнения существующей системы с традиционными системами, смешивающихся, вторую плоскую против опорной поверхности кисти ПММА сольватированную в ацетофеноном сделал. Измеряется сила трения скольжения при несмешивающегося систему ПММА на PNIPAM примерно 1% от трения для смешивающегося системы ПММА на ПММА. Следует отметить, что использование этих конкретных систем кисти является лишь одним из примеров. Представленный способ является общим и работает за счет предпочтительного поглощения растворителей в различных щеток. Таким образом, более типов щеток, как ожидается, будет применимо, при условии, что выбранные растворители де-смеси в две щетки. Эффект усиливается с помощью двух несмешивающихся растворителей (таких как ацетофенон и воды), так что дополнительная скользкой жидкости на жидкости скольжения интерфейс создается 22,23.
Protocol
Representative Results
Discussion
Представленные результаты показывают, что трение, для несмешивающихся систем по отдельности сольватированных щеток, сильно снижается по сравнению с традиционными системами смешивающихся два одних и тех же сольватированных щеток. Предпочтительным поглощение различных растворителей в двух щеток предотвращает кисти из interdigitating и, следовательно, основным источником износа и отвода в полимер кисти трения устранены. Представленный метод Поэтому принципиально отличается от скольжения сухого гидрофильную на гидрофобных щеток, где трение будет определяться кисти-специфическими взаимодействиями 27. На самом деле, по стрижке ПММА на PNIPAM (рухнул высота 166 нм) без растворителей, мы обнаружили, что трение на 50% выше по сравнению с сухой ПММА ПММА (рухнул высота 236 м).
Как уже отмечалось в ближайшее время в примечаниях к разделу "Протокола", есть несколько важных моментов, которые необходимо иметь в виду при выполненииименно эти эксперименты: Во-первых, ацетофеноном лучшим растворителем для PNIPAM, чем вода. Таким образом, следует позаботиться о том, что этиловый не входит в PNIPAM кисть путем смачивания PNIPAM кисть с большим количеством воды. Так этиловый и вода не смешиваются, этиловый теперь не входят в PNIPAM кисть. Вот почему мы не погружать нашу систему полностью ацетофеноном, но вместо этого создал ацетофенона капилляр для смешиваемом системы. Другая причина неполного погружения является то, что полное погружение приводит к слишком сильным гидродинамики, так что мы только измерил сопротивление Стокса на коллоидной и консоли. Во-вторых, в АСМ экспериментов в сочетании торсионные и нормальные весенние константы. Кронштейны с низким нормальной постоянной пружины также имеют относительно низкую кручение жесткость пружины, и наоборот. Это ограничивает низкий коэффициент измеримое трения на> 10 -3. Таким образом, для того чтобы измерить полное уменьшение трения, трение для МОCible система должна быть высокой. Это достигается за счет использования длинных щетки с высокой плотностью и относительно высокую скорость сдвига обычно 100 м / сек. Кроме того, капиллярная между щетками и увеличивает силы трения. Мы измерили низкий коэффициент трения, несмешиваемой системы 22, из μ = 0,003 при ориентировочной нормального напряжения 200 кПа. Используя те же условия эксперимента, мы обнаружили, что μ = 0,15 для смешиваемом системы.
Следует отметить, что эксперименты проводились в контролируемых лабораторных условиях и что поверхности, используемые в промышленности, не столь идеальным, как используется в представленных экспериментах. Большинство поверхностей имеют неравномерное распределение шероховатости 28 и поэтому многие неровности различной формы и размеров. Во время столкновения двух щеток, несущих неровностей, трения состоит из различных каналов диссипации 29. Рядом с стационарном состоянии механизмов диссипации, такие как interdigitaции и поток растворителя, будет гистерезисные эффекты в виде 30 из-за медленной релаксации полимеров и растворителя. Кроме того, капилляры возникали и распадались. В традиционно используемых систем смешивается кисти, переходные разобщение 31 усиливает shape- и капилляров гистерезис. С несмешиваемой системы, представленной здесь, переходные разобщение устраняется тоже. Кроме того, капиллярного гистерезиса можно обойти путем применения двух несмешивающихся растворителей. Поэтому, а также для более общего шероховатых поверхностей, трения и износа будет уменьшить, используя не смешивается кисти систем 22. Основным источником трения, который остается деформация кисти. Закрепление polyzwitterionic полимеры, которые известны своей внутренней низким трением 32, на одну из поверхностей может свести к минимуму последнего. В таких системах осмотическое давление растворителя является высокой, в результате чего небольшой кистью деформации при высоких нормальных нагрузок.
Предложенный способ несмешивающихся систем щетка может быть применен практически в любой системе, где низкий коэффициент трения является желательным. Метод хорошо работает при высоких давлениях. Тем не менее, следует соблюдать осторожность, чтобы температура поддерживается примерно комнатной температуре. Высокие температуры повредить полимеры, которые будут вызывать жидкого потока из контакта и, следовательно, с высоким коэффициентом трения. Примеры возможного применения являются: шприцы, поршневые системы, осевых подшипников и петли.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим М. Hempenius и Е. Benetti за плодотворные дискуссии, Ю. Ю. на тщательный контроль рецепт, М. Vlot для проектирования изображения на рис 1, К. Падберг и К. Смит за техническую поддержку. EK признает Нидерландская организация по научным исследованиям (NWO, топ Грант 700.56.322, высокомолекулярных технологий с Стимул Отзывчивый Полимеры) за финансовую поддержку. SDB была поддержана Фондом фундаментальных исследований вещества (FOM), который при финансовой поддержке Нидерландской организации научных исследований (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).
