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.
Solvatiserede polymer børster er velkendt at smøre højtryks-kontakter, fordi de kan opretholde en positiv normal belastning og samtidig opretholde lav friktion ved grænsefladen. Ikke desto mindre kan disse systemer være følsomme over for slid som følge af interdigitation af de modstående børster. I en nylig publikation har vi vist via molekylære simuleringer og atomic force mikroskopi eksperimenter, at ved hjælp af en ikke-blandbar polymer børstesystem afslutning af underlaget og skyderen overflader, henholdsvis kan fjerne sådan interdigitation. Som en konsekvens, slid i kontakterne reduceres. Desuden friktionskraften er to størrelsesordener lavere sammenlignet med traditionelle blandbar polymer børste systemer. Dette nyligt foreslåede system rummer derfor et stort potentiale for anvendelse i industrien. Her til metoden konstruere en ikke-blandbar polymer børste system af to forskellige børster hver solvatiserede af deres egen foretrukne opløsningsmiddel er præsenteret. Proceduren hvordan at pode pOly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) fra en flad overflade og poly (methylmethacrylat) (PMMA) fra en atomic force mikroskopi (AFM) kolloidt probe beskrevet. PNIPAM er solvatiseret i vand og PMMA i acetophenon. Via friktionskraft AFM målinger, er det vist, at friktionen for dette system faktisk reduceres med to størrelsesordener sammenlignet med blandbar system PMMA om PMMA solvatiseres i acetophenon.
Perfekt smøremidler reducere friktion og slid for faste stoffer i relativ bevægelse, selv når de normale belastninger er høje. For at opnå dette bør smøremidlet forblive i kontakt under glidende og i ro. Men under en positiv normal belastning, enkle, lav viskositet væsker hurtigt presset ud af kontaktområdet og endnu højere viskositet olier er udvist til sidst. Alligevel biologiske kontakter, fx i humane led, forbliver smurt med lav viskositet væsker på alle tidspunkter. Naturen indser sådan effektiv smøring ved hjælp sukkerkæder knyttet til faste overflader 1. De hydrofile sukkerkæder holde en vandig væske i kontakt forudsat at den normalt tryk ikke overstiger det osmotiske tryk af opløsningsmidlet 2. Derfor har en stor indsats været rettet mod at efterligne biologiske smøremidler ved podning polymerer til faste overflader danner såkaldte polymer børster 3-12.
Når to modsatrettede polymerbørster bringes i kontakt, kan segmenter af polymerkæderne på den ene side bevæger sig ind i børsten kædesegmenter på den modsatte side. Denne effekt kaldes interdigitation 13. Når børsterne er i relativ glidende bevægelse, interdigitation er den vigtigste kilde til slid 14 og friktion 15-17. Faktisk nylig, friktion-hastighed relationer for glidende polymer børster er udledt 18. Disse skalering love er baseret på interdigitation og den deraf følgende strækning og bøjning af polymererne ved glidende. De vigtigste egenskaber er enig med resultaterne af overfladekræfter apparater eksperimenter 19 og molekylær dynamik (MD) simuleringer 20. I sidstnævnte direkte kan kvantificeres graden af overlapning. Desuden blev det vist, at overlapningen mellem polyelektrolyt børster kan indstilles ved at anvende et elektrisk felt 21. Så hvis interdigitation kan omgås, friktion og slid i disse systemer vil være significantly reduceret.
I en nylig publikation 22 har vi vist via MD simuleringer, at to ikke-blandbare opløste polymer børste systemer forhindrer overlapning mellem børsterne. Desuden ved at glide børsterne, fandt vi et fald på friktionskraften ved to størrelsesordener i forhold til de traditionelle blandbare børste systemer, i fremragende aftale med vores atomic force mikroskopi (AFM) målinger. Her forklarer vi i detaljer, hvordan at oprette AFM eksperimenter af ref. 22. Det grundlæggende princip er skitseret i figur 1. På de to counter-overflader, to forskellige børster, hver solvatiserede af deres egen foretrukne opløsningsmiddel, der er behov for. I denne konfiguration er hver børste i eget opløsningsmiddel. Følgelig behøver polymer segmenter fra en børste ikke trænge ind i den anden børste. Poly (methylmethacrylat) (PMMA) er podet fra en AFM kolloid sonde og børsten solvatiseret af acetophenon. Fra den flade overflade poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) er podet og solvateret i vand. For at sammenligne det nuværende system til traditionelle blandbare systemer tages en anden flad mod pladens en PMMA pensel solvatiseret i acetophenon lavet. Den målte friktionskraft ved at skubbe den ublandbare system PMMA på PNIPAM er ca. 1% af friktionen for blandbar system PMMA på PMMA. Bemærk, at anvendelsen af disse særlige børste systemer er blot ét eksempel. Den foreliggende fremgangsmåde er generisk og virker på grund af den foretrukne absorbans af opløsningsmidlerne i de forskellige børster. Derfor er flere typer af pensler forventes at være gældende, så længe de valgte opløsningsmidler de-mix i de to børster. Virkningen forstærkes ved anvendelse af to ikke-blanding opløsningsmidler (såsom acetophenon og vand), således at en ekstra glat fluid-on-fluid-glidegrænsefladen skabes 22,23.
De præsenterede resultater viser, at den friktion, for ikke-blandbare systemer individuelt solvatiserede børster, er stærkt reduceret i forhold til traditionelle blandbare systemer for to af de samme solvatiserede børster. Den foretrukne absorbans af de forskellige opløsningsmidler i de to børster forhindrer børsterne fra fingerindgribende og dermed en væsentlig kilde til slid og spredning i polymer børste friktion elimineres. I denne procedure er derfor væsentligt fra at glide tør hydrofil på hydrofobe børster, hvor friktionen vil blive bestemt af børste-specifikke interaktioner 27. Faktisk ved forskydning PMMA på PNIPAM (kollapsede højde 166 nm), uden opløsningsmidler, fandt vi, at friktionen var 50% højere i forhold til tørre PMMA på PMMA (kollapsede højde 236 m).
Som allerede påpeget kort i noterne i »protokollen« sektionen, er der et par afgørende punkter, der skal holdes for øje, mens de udførerdisse særlige eksperimenter: For det første, acetophenon er et bedre opløsningsmiddel for PNIPAM end vand. Således bør man tage at acetophenon ikke kommer ind i PNIPAM børste ved at fugte PNIPAM børste med rigeligt vand. Da acetophenon og vand ikke blandes, vil acetophenon nu ikke komme ind i PNIPAM pensel. Det er derfor, vi ikke fordybe vores system helt i acetophenon, men i stedet skabt en acetophenon kapillar for blandbar system. En anden grund til ufuldstændig fordybelse er, at fuldstændig nedsænkning medfører for stærk hydrodynamik, sådan at vi kun målte Stokes træk på kolloid og cantilever. For det andet, i AFM eksperimenter vridningsprøvningerne og normale fjederkonstanter er koblet. Støtteben med en lav normal fjederkonstant vil også have en relativt lav torsionsfjederkonstanten og vice versa. Dette begrænser den laveste målbare friktionskoefficient til> 10 -3. For således at måle den fulde friktionsnedsættelse, friktionen for miscible system skal være høj. Dette opnås ved hjælp af lange high-density børster og en relativt høj forskydningshastighed på typisk 100 m / sek. Desuden kapillarrøret mellem børsterne øger også friktionskræfterne. Vi målte den laveste friktionskoefficient, for en ikke-blandbar systemet 22 af μ = 0,003 i henhold til en anslået normal belastning på 200 kPa. Anvendelse af de samme eksperimentelle betingelser, vi fandt, at μ = 0,15 for blandbar system.
Bemærk, at forsøgene blev udført i et kontrolleret laboratoriemiljø, og at overflader anvendes i industrien er ikke så ideel som anvendt i de præsenterede forsøg. De fleste overflader har en ikke-ensartet ruhed fordeling 28 og således mange ruheder i forskellige former og størrelser. Under kollision mellem to børste-bærende ruheder, er friktionen sammensat af forskellige dissipation kanaler 29. Næste til steady state dissipation mekanismer, såsom interdigitaflow opløsningsmiddel tion, og der vil være hysterese virkninger i form 30 på grund af den langsomme relaksationstiden for polymererne og opløsningsmiddel. Desuden er kapillærer dannet og brudt. I de traditionelt anvendte blandbar børste systemer, forbigående interdigitation 31 forstærker form- og kapillær hysterese. Med den ikke-blandbare systemet præsenteres her, er forbigående interdigitation elimineres også. Desuden kan kapillær hysterese omgås ved anvendelse af to ikke-blandbare opløsningsmidler. Derfor vil også de mere almindelige ru overflader, friktion og slid reduceres ved hjælp blandbart børste systemer 22. Den vigtigste kilde til gnidninger, der er tilbage, er børste deformation. Forankring polyzwitterionic polymerer, der er kendt for deres iboende lav friktion 32, på en af overfladerne kan minimere sidstnævnte. I sådanne systemer det osmotiske tryk af opløsningsmidlet er høj, hvilket lille børste deformation under høje normale belastninger.
Denpræsenteret Fremgangsmåde blandbare børste systemer kan anvendes i næsten ethvert system, hvor lav friktion er ønskelig. Metoden fungerer godt under høje tryk. Dog bør det sikres, at temperaturen holdes omkring RT. Høje temperaturer beskadige polymerer, som vil medføre væske-flow ud af kontakt og dermed høj friktion. Eksempler på anvendelsesmuligheder er: sprøjter, stempel systemer, aksellejer og hængsler.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker M. Hempenius og E. Benetti for frugtbare drøftelser, Y. Yu for omhyggelig kontrol af opskriften, M. Vlot for billedet design i figur 1, C. Padberg og K. Smit til teknisk support. EK anerkender den nederlandske organisation for videnskabelig forskning (NWO, TOP Grant 700.56.322, Macromolecular Nanoteknologi med Stimulus Responsive Polymers) om økonomisk støtte. SdB er blevet støttet af Fonden for Grundforskning på Matter (FOM), som er støttet af den nederlandske Organisation for Videnskabelig Forskning (NWO).
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 |