Progressi nella spettroscopia infrarossa su scala nanometrica per esplorare sistemi polimerici multifase

Sommario

Questo protocollo descrive l'applicazione della microscopia a forza atomica e della spettroscopia infrarossa su scala nanometrica per valutare le prestazioni della spettroscopia infrarossa fototermica su scala nanometrica nella caratterizzazione di campioni multipolimerici tridimensionali.

Abstract

I sistemi polimerici multifase comprendono domini locali con dimensioni che possono variare da poche decine di nanometri a diversi micrometri. La loro composizione viene comunemente valutata utilizzando la spettroscopia infrarossa, che fornisce un'impronta digitale media dei vari materiali contenuti nel volume sondato. Tuttavia, questo approccio non offre alcun dettaglio sulla disposizione delle fasi nel materiale. Anche le regioni interfacciali tra due fasi polimeriche, spesso nell'ordine della nanoscala, sono di difficile accesso. La spettroscopia infrarossa fototermica su scala nanometrica monitora la risposta locale dei materiali eccitati dalla luce infrarossa con la sonda sensibile di un microscopio a forza atomica (AFM). Mentre la tecnica è adatta per interrogare piccole caratteristiche, come singole proteine su superfici d'oro incontaminate, la caratterizzazione di materiali multicomponenti tridimensionali è più elusiva. Ciò è dovuto a un volume relativamente grande di materiale sottoposto a espansione fototermica, definito dalla focalizzazione laser sul campione e dalle proprietà termiche dei costituenti polimerici, rispetto alla regione su scala nanometrica sondata dalla punta AFM. Utilizzando una perla di polistirene (PS) e una pellicola di alcol polivinilico (PVA), valutiamo l'impronta spaziale della spettroscopia infrarossa fototermica su scala nanometrica per l'analisi della superficie in funzione della posizione di PS nella pellicola PVA. L'effetto della posizione della caratteristica sulle immagini infrarosse su scala nanometrica viene studiato e gli spettri vengono acquisiti. Vengono fornite alcune prospettive sui futuri progressi nel campo della spettroscopia infrarossa fototermica su scala nanometrica, considerando la caratterizzazione di sistemi complessi con strutture polimeriche incorporate.

Introduzione

La microscopia a forza atomica (AFM) è diventata essenziale per l'imaging e la caratterizzazione della morfologia di un'ampia varietà di campioni con risoluzione^su scala nanometrica ^1,2,3. Misurando la deflessione di un cantilever AFM risultante dall'interazione della punta affilata con la superficie del campione, sono stati sviluppati protocolli di imaging funzionale su scala nanometrica per le misurazioni della rigidità locale e l'adesione punta-campione ^4,5. Per l'analisi di materia condensata soffice e polimeri, l....

Protocollo

1. Preparazione di una soluzione di alcol polivinilico (PVA)

1. Misurare l'acqua e i pellet polimerici PVA (vedere la tabella dei materiali) per creare una soluzione da 10 mL con un rapporto PVA/acqua del 20% in peso.
2. Scaldare l'acqua nella vetreria su una piastra calda impostata a 100 °C.
3. Mettere i pellet di polimero PVA nell'acqua riscaldata. Inserire una barra di agitazione magnetica.
4. Ridurre la fiamma a 80 °C e mescolare fino a quando il PVA non si scioglie completamente.
5. Coprire la parte superiore della vetreria per evitare contaminazioni.
6. Una volta completamente sciolta, m....

Risultati

Le perle di PS ((C₈H₈)_n) sono state depositate su un substrato di Si pulito (Figura 1A) e su PVA ((CH₂CHOH)_n) (Figura 1B,C). A causa della scarsa adesione della perla sul Si, non è stato possibile acquisire l'imaging nanoIR in modalità di contatto per questo campione. Invece, utilizzando la vista ottica del campione su nanoIR, la sonda AFM rivestita d'oro è stata impegnata sulla parte superi.......

Discussione

L'AFM combinato con la spettroscopia nanoIR può fornire informazioni chimiche su scala nanometrica utilizzando una trave a sbalzo in modalità di contatto e una sorgente di luce IR sintonizzabile pulsata. I sistemi di modellazione, come l'inclusione di un assorbitore con dimensioni finite nel volume di un materiale polimerico, sono importanti per migliorare la comprensione dei meccanismi di formazione dell'immagine e per determinare le prestazioni dello strumento. Nel caso della configurazione PS/PVA qui presentata, è sta.......

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
10|0 2200 Golden Taklon Round	Zem
5357-8NM Pinzette	Pelco
Linguette adesive	Ted Pella	16079
AFM dischi per campioni in metallo	Ted Pella	16208
Binoculare	AmScope
Cantilever per misure nanoIR	AppNano		FORTGG
Piastre per colture cellulari	Greiner bio-one GmbH
Essiccatore
Tavolo ottico galleggiante	Newport	RS 4000
Piastra riscaldante	VWR
Isopropanolo
Kimwipes	KIMTECH
Ancoretta
Microparticelle a base di polistirene dimensioni: 5 µ m	SIGMA-ALDRICH	79633
microscopio nanoIR2	Bruker		Modalità di contatto NanoIR2
Serbatoio di azoto Airgas
Piastre di Petri	Greiner bio-one GmbH
Alcool polivinilico	SIGMA-ALDRICH	363170	questo polimero è stato idrolizzato solo all'87%-89%, il che spiega la presenza di C=O residuo a 1730 cm-1
Quantum Cascade Laser	Daylight Solutions		1550-1800 cm-1 gamma
Wafer di silicio	MEMC St. Peters	#901319343000
Spin coater	Oscilla

magnetica