Le Assemblee del Composto Organico della Rappresentazione gradiscono gli Oligomeri, Polimeri ed i Derivati dell'Alcano Facendo Uso dello Scansione Forzano la Microscopia

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Sfondo

Microscopia della Forza di Scansione

Perché è Utile Avere un Microscopio della Forza di Scansione Per la Ricerca del Polimero?

Strumentazione e Campioni del AFM

Rappresentazione dell'Oligomero

Hexacontane

p-Hexaphenyl (p-6P)

Rappresentazione del Polimero

Copolimero del Blocchetto del Polistirolo-PMMA

Copolimero di Triblock dello Stirolo-Butadiene-Stirolo di SBS

Polipropilene Orientato biassalmente

Sferolite

Strati Monomolecolari Montati Auto di Acido Fosfonico con la Catena Lunga dell'Alchile

Conclusioni

Ringraziamenti

Sfondo

La microscopia della forza di Scansione (SFM), anche conosciuta come microscopia atomica della forza (AFM), è una tecnica di rappresentazione di superficie basata su un trattamento puramente meccanico della rappresentazione. Durante il suo sviluppo durante gli ultimi 20 anni si è trasformato in in uno strumento chiave in nanoscience e nanotecnologia. In AFM un suggerimento molto marcato fissato ad una trave a mensola è introdotto molto in grande prossimità alla superficie ed al linea per linea allora scandito per sondare la tessitura di superficie del campione.

Microscopia della Forza di Scansione

La microscopia della forza di Scansione permette le misure in situ che non richiedono la macchiatura o ricoprire del campione come è necessaria nelle tecniche di microscopia elettronica. Secondo i parametri del campione, il modo di contatto o i modi dinamici (per esempio modo di IC) può essere usato per ottenere le immagini di alta risoluzione anche sui campioni molto molli. Nel modo di contatto il suggerimento è scandito continuamente molto nella grande prossimità attraverso il campione. Nel campione dinamico del suggerimento del modo l'interazione può essere minimizzata usando una trave a mensola di vibrazione. Inoltre, il modo dinamico fornisce informazioni qualitative sui parametri del campione osservando il segnale di fase.

Perché è Utile Avere un Microscopio della Forza di Scansione Per la Ricerca del Polimero?

Il AFM raggiunge un più di alta risoluzione rispetto alle tecniche tradizionali di microscopia quali microscopia leggera (LM) e microscopia di scansione confocale del laser (CLSM).

Le tecniche di microscopia elettronica (EM) sono egualmente usate spesso nella ricerca del polimero ed in AFM possono essere usate come strumento complementare per studiare tali preparati del polimero che sono troppo sensibili essere studiati con un fascio di elettroni.

Il preparato del campione del AFM è in modo paragonabile facile, c'è nè un rivestimento conduttivo richiesto, nè tutta la macchiatura del campione. I campioni possono essere tenuti alle circostanze ambientali e la rappresentazione in liquido o in solventi organici è possibile, anche.

Lo Scambio del liquido è egualmente possibile durante l'esperimento facendo uso di una cella del liquido di aspersione. La temperatura può essere controllata sopra una vasta gamma, normalmente fra 0 e 240 °C.

La Combinazione delle tecniche di rappresentazione differenti salva il tempo e piombo ai risultati scientifici più affidabili e più significativi. Durante la rappresentazione del AFM, il campione può essere osservato otticamente sia all'indicatore luminoso riflesso che all'indicatore luminoso trasmesso. Tutto Il contrasto moderno che migliora le tecniche dell'indicatore luminoso trasmesso nella maniera prevista dai microscopi ottici invertiti può essere usato insieme al AFM e tutte le tecniche di microscopia di fluorescenza (confocali, CLSM, TIRF) e le applicazioni dell'indicatore luminoso polarizzato sono egualmente disponibili.

Strumentazione e Campioni del AFM

Tutte Le immagini indicate in questo articolo sono state ottenute con un JPK NanoWizard® AFM. La fase del Polimero di JPK e la fase di JPK LifeScience sono state usate, secondo il montaggio del campione e dell'applicazione. La fase di Scienze Biologiche È stata montata su Zeiss che Axiovert 200 ha invertito il microscopio ottico. Le Travi A Mensola utilizzate per la rappresentazione provenivano da NanoWorld, da Mikromasch e da Appnanotech.

I campioni che abbiamo studiato per questo rapporto erano composti organici, sia naturali che esempi sintetici, quali gli alcani, i derivati dell'alcano e i aromates. I composti sono sia di interesse tecnico che accademico. Il peso molecolare dei campioni studiati in questo rapporto varia fra 300 e 130,000 g/mol.

Rappresentazione dell'Oligomero

Hexacontane

Figura 1. formula Chimica di hexacontane, MW 843,62 g/mol.

Hexacontane appartiene agli alcani. È una catena saturata e non ramificata di C con 60 atomi di carbonio (Figura 1). La lunghezza di Corrente alternata - la singola obbligazione di C è 154 pm, l'angolo del CCC è 104°. Il punto di fusione del composto è fra 94 e 96 °C. Hexacontane è solubile in xilene caldo. Per l'esperimento una concentrazione 0,001 - 0,01 di g/l o mol/L dei ~ 10-5 - 10-6 è necessaria. Questa concentrazione bassa è stata raggiunta con una serie di diluizioni graduate. 2 mg di hexacontane sono stati dissolti in 2 ml di xilene caldo (riscaldato a °C 60, il punto di ebollizione del °C) del ~ 140 del xilene. il ìL 30 di questa soluzione è stato diluito con un xilene di 870 ìL ad una concentrazione di 0,03 mg/ml. il ìL 30 di questa soluzione poi è stato diluito con ìL 870 del xilene ad una concentrazione in conclusione di 0,001 mg/ml.

Un dispositivo a induzione casalingo della rotazione (Giro 1800/minuto) è stato utilizzato per il preparato del campione.

Figura 2. immagine del AFM di un preparato di hexacontane su HOPG.

Le bande rappresentano i livelli monomolecolari di hexacontane, trovantesi accanto a ogni altro. La larghezza di una banda corrisponde alla lunghezza della molecola del hexacontane.

Un pezzo di HOPG (grafite pirolitica altamente ordinata) di recente fenduto è stato usato come substrato del campione. Una goccia della soluzione diluita è stata caduta sul substrato ed è stata filata per 30 - 60 S. Per un preparato meccanicamente più stabile del campione il campione può essere heated su una piastra di riscaldamento a °C 140 per circa 10 Min. Il campione poi era imaged nel modo dinamico con un suggerimento di NanoWorld® SSS (silicio marcato eccellente). Le Migliori immagini sono state ottenute “delicatamente„ in modo dinamico, significante ammortizzare relativamente debole dell'ampiezza dove il del punto vincente è vicino all'ampiezza libera.

Il Paragone delle due aree verdi nella Figura 2 indica che entrambi esibiscono un reticolo delle bande parallele con differenti orientamenti. L'angolo fra le bande nei due domini è 60°. Figura 3 mostra le immagini più di alta risoluzione all'interno di uno dei domini a strisce. Le 7,5 larghezze di nanometro delle bande delle lamelle corrispondono alla lunghezza di una molecola estesa del hexacontane.

Figura 3. Hexacontane, pronto su HOPG. Un lamellum ha una larghezza di 7,5 nanometro. (a) dimensioni immagine 95 x 50 nanometro. (b) zoom, dimensioni immagine 30 x 30 nanometro

Nella Figura 4 una rappresentazione schematica mostra la disposizione delle molecole del hexacontane all'interno delle strutture lamellari. L'auto-assembly laterale delle molecole forma i reticoli a strisce veduti dal AFM.

La Figura 4. Auto-Assembly delle molecole del hexacontane su HOPG piombo alle strutture lamellari con 7,5 larghezze di nanometro.

Più di alta risoluzione può anche essere raggiunto facendo uso del AFM. La risoluzione Atomica della grata è stata raggiunta in condizioni ambiente su alcuni campioni condensati cristallini della materia quali HOPG (grafite pirolitica altamente ordinata) e le superfici della mica, secondo le indicazioni di Figura 5.

Figura 5. risoluzione Atomica della grata di una superficie della mica. Immagine di Altezza. Dimensioni immagine 6,6 nanometro x 6,6 nanometro, z-intervallo 0,4 nanometri. NanoWizard® AFM è stato installato su un microscopio invertito ottico.

p-Hexaphenyl (p-6P)

Il composto organico utilizzato in questo studio è parahexaphenyl, che può essere veduto come venendo da una struttura del bezene. Il polimero coniugato è poli-para-Hexaphenylene. Il p-Hexaphenyl dell'oligomero consiste di una catena lineare di sei anelli benzenici, secondo le indicazioni di Figura 6.

Figura 6. struttura Chimica del p-Hexaphenyl. C36H26, peso molecolare 458,60 g/mol.

Il preparato del Campione è stato fatto in un trattamento della sublimazione di vuoto. Le molecole di Hexaphenylene sono state evaporate nel vuoto (10-7 mbar) alle temperature superiore a °C 330 su due superfici differenti, su una superficie fenduta della mica e su una superficie della mica ricoperta oro. In entrambi i casi, i campioni sono stati riscaldati in seguito da un raggio laser Di ione argon messo a fuoco.

Sia su mica che su oro il p-6P forma i nanofibers. Secondo il substrante, la disposizione del composto piombo ai reticoli molto differenti della fibra. Sui cumuli agi di stampa ago di stampa della mostra delle superfici p-6P della mica, come si vede in Figura 7.

La Figura 7. nanofibres di p-Hexaphenyl ha preparato su mica pulita. Giuste) immagini di ampiezza e) lasciata (di Altezza (. Ìm del ìm X.25 di Dimensioni immagine 25.

La distribuzione di larghezza e di altezza è abbastanza costante, con un'altezza tipica intorno 50-70 nanometro e una larghezza tipica di 350 nanometro. Le Loro larghezze possono essere per diverse centinaia nanometri con le altezze di alcuni dieci nanometri e le lunghezze di parecchi dieci a parecchie centinaia di micron. I Settori trattati dai aghi di stampa stati allineati nella stessa direzione possono raggiungere 1 cm2.

Fra i aghi di stampa, un gran numero di piccoli punti può essere osservato. La Loro densità diminuisce nel vicino dei coni retinici.

Consistono del materiale organico da cui i coni retinici si sviluppano. Le forze che determinano la crescita sono i campi di dipolo elettrico sulla superficie della mica. Una superficie di recente fenduta della mica del moscovita fa un campo di dipolo di superficie svilupparsi di 107 V/cm e delle molecole di p-6P parallelo alla direzione di questo campo.

Una Volta irradiati con luce UV (360 nanometro) i aghi di stampa mostrano una fluorescenza blu profonda a 425 nanometro, può essere veduto nella Figura 8 (c). Una domanda futura di questi nanofibres può essere di usarli come nana-lightguides.

Figura 8. Micromanipolazione sui nanofibres. Il suggerimento del AFM è stato usato per graffiare i nanofibres fuori dalla superficie della mica. L'altezza di immagini del AFM (a) e (b) l'ampiezza ha una dimensione di scansione di un ìm di 25 ìm X.25. L'area graffiata ha avuta un ìm 10 del ìm x di dimensione 10. L'immagine di fluorescenza (c) ha una dimensione 70 del ìm del ìm x 70.

Dal AFM una microscopia di fluorescenza può essere eseguita simultaneamente, sia la rappresentazione del AFM che ottica può essere in situ usato per studiare questi tipi di nanofibres e di loro beni ottici.

Qui il suggerimento del AFM è stato usato per graffiare i nanofibres da una regione della superficie della mica, secondo le indicazioni di Figura 8. Una trave a mensola con una costante relativamente alta della sorgente (40 N/m) sono stati usati come strumento per manipolazione del campione.

Di Conseguenza un modo dinamico della rappresentazione (modo di IC) è stato usato per la rappresentazione a forza bassa senza disturbare le fibre. Lo strumento è stato utilizzato nel modo di contatto per manipolazione, facendo uso di una forza applicata di nN 100.

La Preparazione del p-hexaphenyl su mica d'oro rivestita piombo ad un reticolo tipo rete secondo le indicazioni di Figura 9. In questo caso, forte campo di dipolo della mica è isolata dal coperchio dell'oro. L'Oro stesso non esibisce così alto campo di dipolo di superficie. Di Conseguenza i aghi di stampa formano una rete sulla superficie e non sono parallelamente righe state allineate.

Figura 9. nanofibres di p-hexaphenyl pronti su mica d'oro rivestita. I Aghi Di Stampa formano una struttura tipo rete. Ìm 20 del ìm x di Dimensioni immagine 20. Giuste) immagini di ampiezza e) lasciata (di Altezza (.

Rappresentazione del Polimero

Copolimero del Blocchetto del Polistirolo-PMMA

I primi blocco-copolimeri dove sintetizzato negli anni 50. Contengono almeno i due “blocchi„ differenti minimi in ogni catena determinata del polimero, in cui la spina dorsale è composta di monomeri differenti. Il Loro vantaggio rispetto ai polimeri tradizionali è le loro proprietà fisiche migliori e controllabili.

I monomeri del blocco-polymethyl-metacrilato del polistirolo dei Di-blockcopolymer (PS-b-PMMA) consistono delle catene a maglia del und PMMA del polistirolo, con un peso molecolare di 39.000 g/mol. Per la rappresentazione del AFM questo campione è stato preparato in un trattamento del rotazione-rivestimento su un substrato di silicio. Nell'immagine di altezza nella Figura 10, i cilindri (larghezza 10-15 nanometro, altezza 1 nanometro) trovantesi su una superficie piana sono chiaramente risolti. I coni retinici stanno trovando parallelamente ma righe curve ed ogni bastoncini possono spettare a parecchi micrometri lunghi.

In questo caso, i cilindri piani che consistono di PMMA stanno trovando in una matrice del polistirolo. Nell'immagine di fase di Figura 10, il contrasto fra i coni retinici di PMMA (il nero) e la matrice del polistirolo (verde) è più chiaro risolti.

Figura copolimero di blocco 10. PS-b-PMMA. Ìm di Dimensioni immagine 1 x 1. Immagine di fase e) lasciata (di Altezza.

Copolimero di Triblock dello Stirolo-Butadiene-Stirolo di SBS

Un copolimero ben noto del tri blocco è SBS (butadiene-stryrene dello stirolo). SBS appartiene al gruppo di elastomeri termoplastici ed è fatto tramite polimerizzazione anionica. Nel caso di SBS uno comincia con la polimerizzazione anionica di stirolo ed aggiunge il butadiene, dopo tutto monomeri dello stirolo è stato reagito. Iniziare la reazione piombo negativamente allo ione caricato di a -. Queste soluzioni della reazione sono chiamate “polimeri viventi„ perché che in un ambiente esente negativamente dall'acqua e dai solventi protic - gli ioni organici caricati rimangono là, egualmente dopo tutto monomeri sono polimerizzati.

Figura 11. (a) visualizzazione schematica Molto semplice della molecola del copolimero del blocchetto di SBS. (b) struttura Chimica delle sezioni del polibutadiene e del polistirolo. Fatti dai monomeri dello stirolo (rossi) e dai monomeri del butadiene (blu) sono tracciati.

Il polistirolo Puro è una plastica dura friabile e dura e questo dà a SBS la sua durevolezza. Il Polibutadiene è gommoso e questo dà a SBS i sui beni tipo gomma ed impedisce il polistirolo rompersi. Durante la reazione le lunghezze delle catene del butadiene o dello stirolo possono essere gestite determinato. I Copolimeri con una breve butadiene-catena molle sono altamente trasparenti, brillanti e resistenti agli urti. Il polimero è usato per alimento ed i cosmetici che imballano e la stagnola restringente, quelle con le catene più lunghe del butadiene per le suole di scarpa e battistrada. Il peso molecolare del campione usato qui era 130.000 g/mol.

Figura 12. Blocco-copolimero di SBS imaged nel modo di IC. Ìm x di Dimensioni immagine 1 1 ìm. Sinistra: immagine di altezza, destra: immagine di fase. Nelle aree scure di immagine di fase corrisponda al polibutadiene, aree luminose al polistirolo.

Per le misure del AFM SBS ha dovuto essere preparato su un supporto solido. In Primo Luogo, SBS è stato dissolto in toluene ad una soluzione definitiva di p/V di 5%. Le pellicole sottili di supporto da un contratto provvisorio del coperchio di vetro sono state preparate su un dispositivo a induzione della rotazione (Giro 1800/minuto).

La ricottura di Vuoto di SBS alle temperature superiore 100 a °C (°C 190 in questo caso) piombo alla separazione di nano-fase. Contrariamente alle immagini di altezza del AFM dello PS-b-PMMA (Figura 10), l'immagine di altezza nella Figura 12 esibisce una superficie relativamente priva di caratteristiche particolare, con i pozzi di 80 nanometro di diametro e 3 - 4 nanometro approfonditi. L'immagine di fase esibisce un forte contrasto da 10-15 ampi coni retinici scuri di nanometro in una matrice luminosa, in cui i coni retinici sono 60 nanometro o più lungamente. L'analisi dell'istogramma dell'immagine di fase nella Figura 13 (a) risolve chiaramente le due specie.

In questo caso il campione è di uno SBS ricco di stirolo. Alcuni copolimeri di blocco mostrano i fenomeni de-mescolantesi dovuto l'insolubilità del polibutadiene in polistirolo. Dai dati (TEM) di trasmissione-elettrone-microscopia è conosciuto che il butadiene forma i cilindri esagonale imballati, incassati in una matrice dello stirolo, come appare schematicamente Figura 13. Ciò significa che nell'immagine di fase di Figura 12, le aree scure corrispondono al polibutadiene ed alle aree luminose al polistirolo.

Figura 13. (a) Istogramma dei valori nell'immagine di fase di Figura 12. (b) di uno in uno SBS ricco di stirolo la fase di minoranza (polibutadiene) forma una struttura esagonale confezionata fine del cilindro.

Polipropilene Orientato biassalmente

Come il polipropilene orientato biassalmente dei copolimeri egualmente (BOPP, una più nuova abbreviazione è PP-BO) appartiene ai polimeri che sono comuni nell'uso di ogni giorno. Il nome viene dal processo di fabbricazione in cui una stagnola del polipropilene è allungata in due direzioni. L'immagine del AFM nella Figura 14 rivela una struttura del tipo di fibra. Le Fibre non sono completamente separate e sono orientate dall'in alto a sinistra verso la destra inferiore dell'immagine. Le fibre Connettenti anche possono essere diffusione veduta da sinistra a destra.

Figura 14. Stagnola Orientata Biassalmente del polipropilene. Dimensioni immagine 800 nanometro x 800 nanometro, intervallo 33 nanometro di altezza. Giuste) immagini di fase e) lasciata (di Altezza (.

Rispetto alle stagnole standard PP-BO del polipropilene ha una trasparenza e una luminosità aumentate ma egualmente ha aggiunto i migliori parametri meccanici quali la resistenza aggiunta di scratch e dello strappo come pure un'alta rigidezza, una buona resistenza di bassa temperatura e un'impermeabilità per i liquidi ed i gas. PP-BO ampiamente è sparso, anche per uso della famiglia (sacchi, stagnole). a polipropilene Orientato Monoaxially che è allungato soltanto in una direzione è usato spesso per le stagnole adesive. Da 10 anni, un numero aumentante di paesi (Australia, Romania ed altre) emettono le loro banconote fatte da PP-BO dovuto la loro resistenza all'usura e più alto numero delle opzioni per aggiungere le funzioni di sicurezza.

Sferolite

Alcuni batteri usano poli-hydroxybutyrate (PHB) come molecola di archiviazione dell'alimento. Cambiando il materiale di base possono anche essere costretti a produrre un copolimero nominato consistere di PHB-PHV poli-hydroxybutyrate-poli-hydroxyvalerate che contiene i monomeri ù-idrossilati dell'acido valerianico.

Figura 15. Formula Chimica di poli-hydroxybutyrate. È sintetizzata in una reazione della policondensazione dei monomeri ù-idrossilati dell'acido butirrico.

Molti polimeri tendono ad profilatura sulla lunghezza a catena per formare i grandi cristalli piani, con uno spessore molto più piccolo delle dimensioni laterali. Queste lamelle sono spesso parallelo formato e formano le lamiere sottili di cristallo stratificate. Le lamiere sottili anche possono formare le più grandi disposizioni, dove le lamelle si sviluppano approssimativamente radialmente fuori dal centro di una sferolite del polimero. Le immagini video nella Figura 16 mostrano alla sezione centrale di una queste strutture della sferolite.

Figura 16. Immagine di Altezza (lasciata) ed immagine di fase (destra) di una struttura della sferolite in una pellicola di PHB-PHV. Ìm 8, intervallo 140 nanometro del ìm x di Dimensioni immagine 8 di altezza.

Strati Monomolecolari Montati Auto di Acido Fosfonico con la Catena Lunga dell'Alchile

L'acido di Octadecylphosphonic (OPA) è una molecola anfifilica con Corrente alternata - catena dell'alchile 18 e un gruppo acido fosfonico su un'estremità (Figura 17). È usato per modifica delle superfici di metallo oxidic (passività). Sulle superfici di alluminio servisce da protettore di corrosione ed egualmente è stato usato per modifica chimica delle superfici di titanio dell'innesto.

Figura 17. Acido di Octadecylphosphonic (OPA), CH3(CH2)17PO3H2, peso molecolare 334,5 g/mol.

La Preparazione del OPA su mica piombo agli strati monomolecolari auto-montati robusti. Per il preparato degli strati monomolecolari di OPA su mica, OPA è dissolto in etanolo (0,25 millimetri) e la soluzione è sparsa su una lamiera sottile di recente fenduta di mica (8 x 8 millimetri). Il OPA è permesso adsorbire per 10 s, quindi la soluzione in eccesso è rimossa con un flusso di azoto asciutto.

Figura 18. OPA ha preparato su mica piombo ai livelli monomolecolari. Dimensioni 2 x di Scansione ìm 2. Altezza (a), errore (b) e forza laterale (c) immagini.

La rappresentazione del AFM è stata eseguita nel modo di contatto con molto delicatamente una trave a mensola (constand della sorgente 40 mN/m) per il modo della forza laterale. Punti rotondi di immagini di altezza nei piccoli con i diametri nell'intervallo di 100 nanometro sia chiaramente risolto. Ma anche le più grandi placche curvilinee con i diametri fino a 1 ìm possono essere osservate. La sezione trasversale video nella Figura 19 indica che il punto medio di altezza è 2,3 nanometro. L'analisi dell'istogramma dell'immagine di altezza egualmente mostra questa distribuzione costante di altezza. L'altezza delle placche corrisponde alla lunghezza di singola molecola di OPA.

Figura 19. (a) La sezione trasversale indica l'altezza dello strato monomolecolare di OPA. (b) analisi dell'Istogramma dell'immagine di altezza di OPA. Due picchi sono chiaramente risolti.

Nell'immagine della forza laterale nella Figura 18 (c), le placche indica una deformazione laterale relativamente bassa e così un attrito più basso rispetto all'attrito sulla superficie pura della mica.

Sulle aree scoperte da OPA un reticolo dei domini più luminosi e più scuri è risolto che è invisibile nell'immagine di deflessione verticale.

Conclusioni

In questo rapporto abbiamo presentato gli studi AFM basati sui campioni fatti dagli alcani, dai derivati, dai aromates e dai polimeri dell'alcano. Le Informazioni sui beni della superficie del campione hanno potuto essere ottenute su un micrometro e su un intervallo di nanometro. Gli assembly della Molecola hanno potuto essere risolti fino alla lunghezza di singole molecole. I fenomeni della separazione di Fase anche hanno potuto essere studiati, non solo secondo i beni di superficie puri da solo. Nel caso dei campioni fluorescenti abbiamo combinato con successo la microscopia di fluorescenza con il AFM.

Ringraziamenti

Ringraziamo il Dott. Fank Balzer, Università Berlino, Germania per i campioni del nanofibre di para-hexaphenyl, Prof. Thomas Thurn-Albrecht, Università di Humboldt di Halle, Germania, per il campione PS-b-PMMA, il Dott. Heng-Yong Nie, Londra, Ontario, Canada per la stagnola di BOPP e Prof. Mervyn Miles, Università di Bristol, Inghilterra, per il campione della sferolite.

Sorgente: Strumenti di JPK

Per ulteriori informazioni su questa sorgente visualizzi prego gli Strumenti di JPK

Date Added: Feb 25, 2008 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 17:56

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