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.
Solvatiserte polymer børster er også kjent for å smøre høytrykks kontakter, fordi de kan opprettholde en positiv normal belastning, samtidig lav friksjon ved grenseflaten. Likevel kan disse systemene være følsomme for slitasje på grunn av interdigitasjon av de motstående børster. I en nylig publikasjon, har vi vist via molekylære dynamikksimuleringer og atomkraftmikroskopi eksperimenter at ved hjelp av en ikke-blandbar polymer børstesystemet terminerer substratet og glider flater, henholdsvis, kan eliminere slike interdigitasjon. Som en konsekvens, slitasje på kontaktene blir redusert. Videre er to størrelsesordener lavere enn i tradisjonelle blandbar polymerbørstesystemer friksjonskraften. Dette nylig foreslåtte systemet har derfor et stort potensial for bruk i industrien. Herfra til metoden konstruere en ikke-blandbar polymer børstesystem av to forskjellige børster hver solvatiserte av sin egen foretrukket oppløsningsmiddel er presentert. Prosedyren hvordan å pode poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) fra en flat overflate, og poly (metylmetakrylat) (PMMA) fra et atomkraftmikroskopi (AFM) kolloidalt probe er beskrevet. PNIPAM er oppløst i vann og PMMA i acetophenone. Via friksjonskraft AFM-målinger, er det vist at friksjonen for dette systemet blir faktisk redusert med to størrelsesordener i forhold til blandbare system av PMMA PMMA på solvatisert i acetofenon.
Perfekt smøremidler reduserer friksjon og slitasje for faste stoffer i relativ bevegelse selv når normale belastninger er høye. For å oppnå dette, bør smøremidlet forblir i kontakt under glidende og i ro. Imidlertid, under et positivt normal belastning, enkle, tyntflytende væsker som blir raskt presset ut av kontaktområdet, og enda høyere viskositet oljer er utvist til slutt. Likevel, biologiske kontakter, f.eks, i humane ledd, forblir smurt med lav viskositet væsker til enhver tid. Natur innser slik effektiv smøring ved hjelp sukkerkjeder knyttet til faste overflater 1. De hydrofile sukkerkjeder holde en vandig væske i kontakt, forutsatt at den normalt trykk ikke overskrider det osmotiske trykk av oppløsningsmidlet 2. Derfor har mye arbeid vært rettet mot ligne biologiske smøremidler av pode polymerer til faste overflater danner såkalte polymer børster 3-12.
Når to motstridende polymerbørstene bringes i kontakt, kan segmenter av polymerkjedene på den ene siden går inn i børstekjedesegmenter ved den motsatte side. Denne effekten kalles interdigitasjon 13. Når børstene er i relativ glidende bevegelse, er interdigitasjon den viktigste kilden til slitasje 14 og friksjon 15-17. Faktisk nylig, friksjon-velocity relasjoner for skyve polymer børster har blitt utledet 18. Disse dimensjoneringsreglene er basert på interdigitasjon og den påfølgende strekking og bøying av polymerene ved glidning. De viktigste egenskapene er enig med resultatene av overflatekrefter apparater eksperimenter 19 og molekyldynamikk (MD) simuleringer 20. I det sistnevnte graden av overlapping kan være direkte kvantifisert. Videre ble det vist at overlappingen mellom polyelektrolyttkomplekser børster kan være innstilt ved å bruke et elektrisk felt 21. Hvis således interdigitasjon kan omgås, friksjon og slitasje i disse systemer ville være significantly redusert.
I en fersk publikasjon 22 har vi vist via MD simuleringer at to ikke-bland solvaterte polymer børste systemer hindre overlapping mellom børstene. Videre, ved å skyve børstene, fant vi en reduksjon av friksjon kraft av to størrelsesordener i forhold til de tradisjonelle blandpensel systemer, i godt samarbeid med vår atomic force mikroskopi (AFM) målinger. Her, vi forklare i detalj hvordan du setter opp AFM eksperimenter av Ref. 22. Den grunnleggende prinsipp er skissert i figur 1. På de to mot-flater, to forskjellige børster, som hver solvatisert av sin egen foretrukne oppløsningsmidlet, er nødvendig. I denne konfigurasjonen hver børste forblir i sitt eget løsemiddel. Følgelig må polymersegmenter fra en børste ikke trenge inn i den annen børste. Poly (metylmetakrylat) (PMMA) er podet fra en AFM kolloidal probe og børsten er solvatisert av acetofenon. Fra flatt underlag poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) er podet og oppløst i vann. For å sammenligne den foreliggende system til tradisjonelle blandsystemer, blir et andre flatt mot overflaten som bærer en børste PMMA solvatisert i acetofenon laget. Den målte friksjonskraft ved å skyve den ikke-blandbare system av PMMA på PNIPAM er omtrent 1% av friksjon for blandbart system av PMMA på PMMA. Legg merke til at bruken av disse spesielle børstesystemer er bare ett eksempel. Den presenterte fremgangsmåte er generisk og virker på grunn av den foretrukne absorbans av oppløsningsmidlene i de forskjellige børster. Derfor er flere typer av børster forventet å være anvendelig så lenge de valgte løsningsmidler DE-blanding i de to børster. Effekten forsterkes ved hjelp av to ikke-blandeløsningsmidler (som acetofenon og vann), slik at en ekstra glatte fluid-on-væske-grensesnittet skyve opprettes 22,23.
De presenterte resultater viser at friksjonen, for ikke-blandbare systemer av individuelt solvatiserte børster, er sterkt redusert sammenlignet med tradisjonelle blandbare systemer av to av de samme solvaterte børster. Den foretrukne absorbans av de forskjellige løsningsmidler i de to børstene forhindrer at børsten fra i hverandre og følgelig en hovedkilde for slitasje og energitap i polymer børste friksjon elimineres. Den presenterte fremgangsmåten er derfor fundamentalt forskjellig fra å gli tørr hydrofil på hydrofobe børster, der friksjonen vil bli bestemt av børste-spesifikke interaksjoner 27. Faktisk, etter klipping PMMA på PNIPAM (kollapset høyde 166 nm) uten løsemidler, fant vi at friksjonen var 50% høyere i forhold til tørk PMMA på PMMA (kollapset høyde 236 m).
Som allerede påpekt kort tid i notene av "Protokoll" delen, er det et par viktige punkter som må holdes i bakhodet mens du utførerdisse spesielle eksperimenter: For det første er acetofenon et bedre oppløsningsmiddel for PNIPAM enn vann. Derfor bør man være forsiktig at acetofenon ikke trenger inn i PNIPAM pensel ved å fukte PNIPAM pensel med mye vann. Siden acetofenon og vann ikke blander, vil acetofenon nå ikke gå inn i PNIPAM børste. Det er derfor vi ikke vårt system fordype helt i acetophenone, men i stedet opprettet en acetofenon kapillær for hhv system. En annen årsak til ufullstendig nedsenking er at fullstendig nedsenking resulterer i altfor sterk hydrodynamikk, slik at vi bare målte Stokes dra på kolloid og cantilever. Dernest, i AFM eksperimenter tors- og normale fjærkonstanter er kombinert. Bommer med et lavt normalt fjærkonstant vil også ha et forholdsvis lavt vridningsfjærkonstant, og vice versa. Dette begrenser laveste målbare friksjonskoeffisienten til> 10 -3. Således, for å måle den fulle friksjonsreduksjon, friksjonen for miscible systemet må være høy. Dette oppnås ved hjelp av lange høy tetthet børster og en forholdsvis høy skjærhastighet på typisk 100 m / sek. Videre kapillaren mellom børstene øker også friksjonskreftene. Vi målte den laveste friksjonskoeffisienten, for en ublandbar system 22 av μ = 0,003 under en antatt normal stress på 200 kPa. Bruke samme eksperimentelle forhold, fant vi at μ = 0,15 for hhv system.
Legg merke til at forsøkene ble utført i et kontrollert laboratoriemiljø, og at flater som brukes i industrien ikke er så ideell som anvendes i de presenterte eksperimenter. De fleste overflater har en ikke-uniform grovhet fordeling 28 og dermed mange ujevnheter i forskjellige former og størrelser. Under en kollisjon mellom to børstebærende ujevnheter, blir friksjonen sammensatt av forskjellige ødsling kanaler 29. Ved siden av steady-state ødsling mekanismer, som for eksempel interdigitaring og oppløsningsmiddel strømning, vil det være hysteresiske effekter i form 30 på grunn av den langsomme relaksasjonstiden av de polymerer og oppløsningsmiddel. Dessuten er kapillærene dannet og brutt. I de tradisjonelt brukt blandbar pensel systemer, forbigående interdigitasjon 31 forsterker form-og kapillær hysterese. Med blandbare systemet presenteres her, er forbigående interdigitasjon elimineres også. Videre kan kapillær hysterese omgås ved anvendelse av to ikke-blandbare oppløsningsmidler. Derfor, også for den mer vanlige grove overflater, friksjon og slitasje vil bli redusert ved hjelp av ikke-blandbare børstesystemer 22. Den viktigste kilden til friksjon som gjenstår er børste deformasjon. Forankring polyzwitterionic polymerer, som er kjent for sin iboende lav friksjon 32, på en av overflatene kan minimalisere den sistnevnte. I slike systemer er det osmotiske trykk av det løsningsmiddel er høy resulterer i liten børste deformasjon under høye normale belastninger.
Denpresenterte fremgangsmåte for ikke-blandbare børstesystemer kan anvendes på nesten hvilken som helst system hvor lav friksjon er ønskelig. Den metoden fungerer godt under høye trykk. Imidlertid bør man passe på at temperaturen holdes rundt RT. Høye temperaturer skade polymerer som vil forårsake væskestrømmen ut av kontakt og følgelig høy friksjon. Eksempler på potensielle søknaden er: sprøyter, stempelsystemer, aksel lagre og hengsler.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker M. Hempenius og E. Benetti for fruktbare diskusjoner, Y. Yu for nøye kontroller av oppskriften, M. Vlot for bildet utformingen av figur 1, C. Padberg og K. Smit for teknisk støtte. EK erkjenner nederlandske organisasjonen for Scientific Research (NWO, TOP Grant 700.56.322, Macromolecular Nanoteknologi med Stimulus Responsive Polymers) for økonomisk støtte. SdB har vært støttet av Stiftelsen for Grunnforskning på Matter (FOM), som er støttet av den nederlandske organisasjonen for Scientific Research (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 |