イメージ投射有機化合物アセンブリはオリゴマー、ポリマーを好み、スキャンを使用してアルカン派生物は顕微鏡検査を強制します

カバーされるトピック

背景

スキャン力の顕微鏡検査

なぜポリマー研究のためのスキャン力の顕微鏡を持っていることは有用ですか。

AFM の器械使用およびサンプル

オリゴマーイメージ投射

Hexacontane

p-Hexaphenyl (p-6P)

ポリマーイメージ投射

ポリスチレンPMMA のブロック共重合体

SBS のスチレンブタジエンスチレンの Triblock の共重合体

二軸に方向づけられたポリプロピレン

球顆

長いアルキル鎖が付いている Phosphonic 酸の自己によってアセンブルされる単一層

結論

確認応答

背景

スキャン力の顕微鏡検査 (SFM)、別名原子力の顕微鏡検査は (AFM)、全く機械イメージ投射プロセスに基づく表面の映像技術です。 最後の 20 年にわたる開発の間にそれは nanoscience およびナノテクノロジーの主器械になりました。 サンプルの表面の質を厳密に調べるために AFM で片持梁に接続する非常に鋭い先端は表面およびそれからスキャンされた 1 行毎への非常に近似性に持って来られます。

スキャン力の顕微鏡検査

スキャン力の顕微鏡検査は電子顕微鏡検査の技術で必要なようにサンプルの汚れるか、またはコーティングを必要としない in-situ 測定を可能にします。 サンプルパラメータによって非常に柔らかいサンプルの高リゾリューションの画像を得るのに、接触モードダイナミックな (例えば IC のモード) 使用することができます。 接触モードで先端はサンプルを渡る非常に近似性で絶えずスキャンされます。 ダイナミックなモードの先端のサンプルで相互作用は振動の片持梁の使用によって最小化することができます。 さらに、ダイナミックなモードは段階のシグナルの観察によってサンプルパラメータについての定性的情報を提供します。

なぜポリマー研究のためのスキャン力の顕微鏡を持っていることは有用ですか。

AFM は光学顕微鏡検査および共焦点レーザーのスキャン顕微鏡検査のような従来の顕微鏡検査の技術 (LM)と比較される高リゾリューションを達成します (CLSM)。

電子顕微鏡検査の技術 (EM) は補足のツールとしてポリマー研究および AFM でまた頻繁に使用されます使用することができます電子ビームと調査されるには余りにも敏感のそのようなポリマー準備を調査するのに。

AFM のサンプル準備は対等に容易です、必要な伝導性のコーティングサンプル汚損があります。 サンプルは包囲された条件で保つことができ液体または有機溶剤のイメージ投射は可能、余りにです。

液体を交換することは散水の液体セルを使用して実験の間にまた可能です。 温度は 0 そして 240 °C. 間の広い範囲に制御されます、普通。

異なった映像技術を結合することは時間を節約し、より信頼でき、より有意義な科学的な結果の原因となります。 AFM イメージ投射の間に、サンプルは反射光および透過光両方で光学的に観察することができます。 逆にされた光学顕微鏡によって透過光の技術をそのまま高めるすべての現代対照は AFM とともに使用することができすべての蛍光顕微鏡の技術 (、 CLSM、 TIRF 共焦点) および偏光のアプリケーションはまた使用できます。

AFM の器械使用およびサンプル

この記事で示されているすべての画像は JPK NanoWizard® AFM と得られました。 JPK ポリマー段階および JPK LifeScience の段階はアプリケーションおよびサンプル土台によって、使用されました。 生命科学の段階は Axiovert 200 が光学顕微鏡を逆にしたツァイスに取付けられました。 イメージ投射に使用した片持梁は NanoWorld、 Mikromasch および Appnanotech からありました。

私達がこのレポートのために調査したサンプルは自然な両方アルカン、アルカン派生物および aromates のような有機化合物、および総合的な例、でした。 混合物は技術的な、学術の興味です。 このレポートで調査される 300 そして 130.000 g/mol の間でサンプルの分子量は及びます。

オリゴマーイメージ投射

Hexacontane

図 1. hexacontane、 MW 843.62 g/mol の化学式。

Hexacontane はアルカンに属します。 それは 60 の炭素原子 (図 1) が付いている飽和させ、非ブランチされた C の鎖です。 a.c. の長さ - C の単一結束は 154 pm、 C-C-C の角度です 104° です。 混合物の融点は 94 ありますと 96 °C. Hexacontane の間に暖かいキシレンで溶けます。 実験のために 0.001 - g/L または ~ 10-5 - 10-6 mol/L の集中はへの 0.01 必要です。 この低い集中は希薄シリーズと達されました。 hexacontane の 2 mg は 2 つの mL ので暖かいキシレン分解しました (60 °C に、キシレンの ~ 140 の °C) の沸点熱される。 この解決の 30 ìL は 0.03 mg/mL の集中への 870 の ìL のキシレンと薄くなりました。 この解決の 30 ìL は 0.001 mg/mL の終わりの集中へのキシレンの 870 ìL とそれから薄くなりました。

手製の回転のコーター (1800 の Rev./分) はサンプル準備のために使用されました。

HOPG の図 2. hexacontane の準備の AFM の画像。

縞は隣同士にある hexacontane の単分子層の層を表します。 1 本の縞の幅は hexacontane の分子の長さに対応します。

新たに裂かれた HOPG (非常に発注された熱分解のグラファイト) の部分はサンプル基板として使用されました。 薄くされた解決の 1 つの低下は基板に落ち、 30 - 60 S. のために回りました。 機械的により安定したサンプル準備のためにサンプルは約 10 Min. の 140 °C に暖房版に熱くします。 サンプルはそれから NanoWorld® SSS (極度の鋭いケイ素) の先端のダイナミックなモードで視覚化されていました。 最もよい画像はセット・ポイントが自由な振幅の近くにある振幅の比較的弱い弱まることを意味するダイナミックなモードで 「静かに」得られました。

図 2 の 2 つの緑領域を比較することは両方が異なったオリエンテーションの平行縞のパターンを表わすことを示します。 2 つの領域の縞間の角度は 60° です。 図 3 はしまのある領域の 1 つの内の高リゾリューションの画像を示します。 薄板の縞の 7.5 nm の幅は拡張 hexacontane の分子の長さと対応します。

準備される HOPG の図 3. Hexacontane。 1 lamellum に 7.5 nm の幅があります。 (a) 画像のサイズ 95 x 50 nm。 (b) ズームレンズ、画像のサイズ 30 x 30 nm

図 4 で図式的な図表は薄板構造内の hexacontane の分子の整理を示します。 分子の側面自己アセンブリは AFM によって見られる縞模様を形作ります。

HOPG の hexacontane の分子の図 4. 自己アセンブリは 7.5 nm の幅の薄板構造の原因となります。

高リゾリューションまた AFM を使用して達成することができます。 原子格子解像度は HOPG (非常に発注された熱分解のグラファイト) および雲母の表面のようなある結晶の凝縮させた問題のサンプルの包囲された条件の下で図 5. に示すように、達成されました。

図 5. 原子雲母の表面の格子解像度。 高さの画像。 画像のサイズ 6.6 nm X 6.6 nm の z 範囲 0.4 nm。 NanoWizard® AFM は光学逆にされた顕微鏡でインストールされました。

p-Hexaphenyl (p-6P)

この調査で使用される有機化合物はことができる parahexaphenyl で、 bezene の構造から来ますように見る。 活用されたポリマーは多パラグラフHexaphenylene です。 オリゴマーの p-Hexaphenyl は図 6. に示すように 6 つのベンゼンリングの線形鎖から、成っています。

図 6. p-Hexaphenyl の化学構造。 C36H26 の分子量 458.60 g/mol。

サンプル準備は真空の昇華プロセスで行われました。 Hexaphenylene の分子は 2 つの表面、裂かれた雲母の表面および金によって塗られた雲母の表面に 330 °C の上の温度の真空 (10-7 の mbar) で蒸発しました。 いずれの場合も、サンプルは集中された Ar イオンレーザ光線によってその後熱されました。

雲母および金両方で p-6P は nanofibers を形作ります。 substrante によって、混合物の整理は非常に異なったファイバーパターンの原因となります。 図 7. に見られるように雲母の表面 p-6P の展示品の針型の総計。

図 7. p-Hexaphenyl の nanofibres はきれいな雲母で準備しました。 高さ (残っている) および振幅の (右の) 画像。 画像のサイズ 25 の ìm x 25 の ìm。

高さおよび幅の分布は典型的な高さおよそ 50-70 nm、および 350 nm の典型的な幅とかなり均一、です。 幅は複数の何百ものミクロンに複数の 10 の少数の 10 のナノメーターそして長さの高さの数百のナノメーターの順序である場合もあります。 同じ方向で一直線に並ぶ針によってカバーされる領域は 1 cm に達することができます2

針間で、小さい点の膨大な数は観察することができます。 密度は棒の近いので減ります。

それらは棒が育つ有機材料から成っています。 成長を追いやる力は雲母の表面の電気双極子フィールドです。 新たに裂かれた白雲母の雲母の表面は 107 V/cm および p-6P の分子の表面の双極子フィールドをこのフィールドの方向に平行に育ってもらいます。

紫外線図 8 (c) で見ることができるように (360 nm) と照射されたとき針は 425 nm で深く青い蛍光性を示します。 これらの nanofibres のための 1 つの未来のアプリケーションは nanolightguides ようにそれらを使用することであるかもしれません。

nanofibres の図 8. 顕微操作。 AFM の先端が雲母の表面を離れて nanofibres をスクラッチするのに使用されました。 AFM の画像 (a) の高さにおよび (b) 振幅に 25 の ìm x 25 の ìm のスキャンサイズがあります。 スクラッチされた領域にサイズ 10 の ìm X の 10 ìm がありました。 蛍光性の画像 (c) に 70 ìm X の 70 ìm のサイズがあります。

AFM 以来蛍光顕微鏡は同時に行うことができますこれらのタイプの nanofibres および光学的性質を調査する光学および AFM イメージ投射は使用された in-situ である場合もあります。

ここに AFM の先端が図 8. に示すように雲母の表面の領域からの nanofibres を、スクラッチするのに使用されました。 比較的高いばねの定数の片持梁 (40 N/m) はサンプルの処理のためのツールとして使用されました。

従ってダイナミックなイメージ投射モード (IC のモード) は低い力でイメージ投射のためにファイバーを妨げないで使用されました。 器械は 100 nN の応用力を使用して処理のために接触モードで、使用されました。

金上塗を施してある雲母の p-hexaphenyl を準備することは金カバーで図 9. に示すようにネットそっくりのパターンの、雲母の強い双極子フィールド絶縁されますこの場合原因となります。 金自体はあまり高い表面の双極子フィールドを表わしません。 従って針は表面のネットワークを形作り、一直線に並べられなかった並行してラインではないです。

準備される金上塗を施してある雲母の図 9. p-hexaphenyl の nanofibres。 針はネットそっくりの構造を形作ります。 画像のサイズ 20 の ìm X の 20 ìm。 高さ (残っている) および振幅の (右の) 画像。

ポリマーイメージ投射

ポリスチレンPMMA のブロック共重合体

50 年代に総合されてところ最初のブロック共重合体。 それらはバックボーンが異なった単量体で構成される各々の個々のポリマー鎖で少なくとも最小の 「ブロック 2 つ」含んでいます。 従来のポリマーと比較される利点は改良され、制御可能な物理的性質です。

ディディミアムblockcopolymer のポリスチレンのブロック polymethyl メタクリル酸塩 (PSb PMMA) の単量体は 39,000 g/mol の分子量が付いているポリスチレンの und PMMA のリンク・チェーンから、成っています。 AFM イメージ投射のためにこのサンプルはシリコン基板の回転コーティングプロセスで準備されました。 平面の図 10 の高さの画像では、あるシリンダー (幅 10-15 nm、高さ 1 nm) ははっきり解決します。 棒は曲げられたライン並行してあって、各棒は長い複数のマイクロメートルまである場合もあります。

この場合、 PMMA から成っている平らなシリンダーはポリスチレンのマトリックスにあっています。 図 10 の段階の画像では、 PMMA の棒 (黒) 間の対照およびポリスチレンのマトリックス (緑) はもっとはっきり解決します。

図 10. PSb PMMA ブロック共重合体。 画像のサイズ 1 x 1 の ìm。 高さ (残っている) および段階の画像。

SBS のスチレンブタジエンスチレンの Triblock の共重合体

有名な三ブロックの共重合体は SBS (スチレンのブタジエンstryrene) です。 SBS は熱可塑性のエラストマーのグループに属し、陰イオン重合によって作られます。 SBS の場合では 1 つはスチレンの陰イオン重合からすべてのスチレンの単量体が反応した後、開始し、ブタジエンを追加します。 反作用を開始することは負荷電イオンに導きます。 これらの反作用の解決はすべての単量体が重合した後環境で水の放しなさい protic 溶媒負荷電の有機性イオンがそこに残るので 「生存ポリマー」と、また呼出され。

図 11. (a) 非常に簡単で SBS のブロック共重合体の分子の図式的な眺め。 (b) ポリスチレンおよびポリブタジエンセクションの化学構造。 スチレンの単量体 (赤い) およびブタジエンの単量体から (青い) 形作られる部品はマークされます。

純粋なポリスチレンは壊れやすく、堅く堅いプラスチックであり、これは SBS に耐久性を与えます。 ポリブタジエンはゴムのようであり、これは SBS にゴムそっくりの特性を与え、ポリスチレンが壊れることを防ぎます。 反作用の間にスチレンまたはブタジエンの鎖の長さはそれぞれ制御することができます。 短く柔らかいブタジエン鎖が付いている共重合体は非常に透過、光沢があるおよび耐衝撃性です。 ポリマーはホイルを、靴の靴底のためのより長いブタジエンの鎖とのそれらおよびタイヤの踏面のために包み、縮める食糧および化粧品使用されます。 ここに使用されたサンプルの分子量は 130,000 g/mol でした。

図 12。 IC のモードで視覚化された SBS のブロック共重合体。 画像のサイズ 1 の ìm X 1 つの ìm。 左: 高さの画像、権利: 段階の画像。 段階の画像暗い領域ではポリブタジエン、ポリスチレンへの明るい領域に対応して下さい。

AFM の測定のために SBS は固相で準備されなければなりませんでした。 最初に、 SBS は 5% w/v の最終的な解決へのトルエンで分解しました。 ガラス蓋のスリップによってサポートされた薄膜は回転のコーター (1800 の Rev./分) で準備されました。

100 °C の上の温度の SBS の真空のアニーリングは (190 °C この場合) nano 段階の分離の原因となります。 PSb PMMA の AFM の高さの画像と対照をなして (図 10) は、図 12 の高さの画像直径の 80 nm のピットが付いている比較的特徴のない表面を、および詳細な 3 - 4 nm 表わします。 段階の画像は棒が 60 nm またはより長くである明るいマトリックスの 10-15 本の nm の広く暗い棒からの強い対照を表わします。 図 13 (a) の段階の画像のヒストグラムの分析ははっきり 2 つの種を解決します。

この場合サンプルはスチレンが豊富な SBS です。 あるブロック共重合体はポリスチレンでポリブタジエンの insolubility による非混合現象を示します。 伝達電子顕微鏡検査データ (TEM)からブタジエンが図 13 で図式的に示されているようにスチレンのマトリックスで埋め込まれる六角形に詰められたシリンダーを形作ることが知られています。 これは図 12 の段階の画像で、暗い領域がポリスチレンにポリブタジエンおよび明るい領域に対応することを意味します。

図 13。 (a) 図 12 の段階の画像の値のヒストグラム。 (b) スチレンが豊富な SBS で少数段階 (ポリブタジエン) は六角形に最密シリンダー構造を形作ります。

二軸に方向づけられたポリプロピレン

共重合体のまた二軸指向のポリプロピレンのように (BOPP は、より新しい省略 PP-BO です) 日常使用で共通であるポリマーに属します。 名前はポリプロピレンホイルが 2 方向で伸びる製造工程から来ます。 図 14 の AFM の画像はファイバーそっくりの構造を明らかにします。 ファイバーは完全に別でし、左上から画像の右下の側面に方向づけられます。 接続のファイバーはまた左から右へ見られた広がりである場合もあります。

図 14。 二軸指向のポリプロピレンホイル。 画像のサイズ 800 nm X 800 nm の高さの範囲 33 nm。 高さ (残っている) および段階の (右の) 画像。

標準ポリプロピレンホイル PP-BO と比較されて増加された過透性および輝き持っていましたりしかしまた追加された破損のようなよりよい機械パラメータをおよび液体およびガスのためのスクラッチの抵抗、また高い剛さ、よい低温の抵抗および不浸透性追加しました。 PP-BO は世帯の使用 (袋、ホイル) のために広く、また広がります。 1 方向だけで伸びる Monoaxially 指向のポリプロピレンは付着力ホイルのために頻繁に使用されます。 10 年以来、国 (オーストラリア、ルーマニアおよび)増加する番号はセキュリティ機能を追加するためにオプションの耐久性および高頻度による PP-BO からなされる銀行券を出します。

球顆

ある細菌は食糧 (PHB)記憶の分子として多hydroxybutyrate 使用します。 ù ヒドロキシ吉草酸の単量体を含んでいる多 hydroxybutyrate 多hydroxyvalerate から成っている PHB-PHV と指名される共重合体を作り出すために原料の変更によって彼らはまた強制することができます。

図 15。 多hydroxybutyrate の化学式。 それは ù ヒドロキシ酪酸の単量体の重縮合の反作用で総合されます。

多くのポリマーは側面次元より小さい厚さの大きく平らな水晶を、大いに形作るためにチェーン長さに沿って折りがちです。 これらの薄板は頻繁に形作られた互いに平行で、層にされた水晶シートを形作ります。 シートはまた薄板がポリマー球顆の中心からおよそ放射状に育つより大きい整理を形作ることができます。 図 16 で表示される画像は 1 つの中央セクションにこれらの球顆の構造を示します。

図 16。 高さの画像 (残っている) および PHB-PHV のフィルムの球顆の構造の段階の画像 (右の)。 画像のサイズ 8 の ìm X の 8 ìm、高さの範囲 140 nm。

長いアルキル鎖が付いている Phosphonic 酸の自己によってアセンブルされる単一層

Octadecylphosphonic の酸は (OPA) A.c. の amphiphilic 分子 - 18 アルキル鎖そして 1 つの端 (図 17) の phosphonic 酸のグループです。 それは oxidic 金属表面 (不動態化) の修正のために使用されます。 アルミニウム表面でそれは腐食の保護装置として役立ち、またチタニウムのインプラント表面の化学修正のために使用されました。

図 17。 Octadecylphosphonic の酸 (OPA)、 CH3(CH2)17PO3H2の分子量 334,5 g/mol。

雲母の OPA を準備することは強い自己組み立てられた単一層に導きます。 雲母の OPA の単一層の準備のために、 OPA はエタノール (0.25 mM) で分解し、解決は雲母の新たに裂かれたシートに広がります (8 つ x 8 つの mm)。 OPA が 10 s のために吸着するそして余分な解決は乾燥した窒素のストリームと除去されます。

図 18。 OPA は単分子層の層に雲母で導きます準備しました。 スキャンサイズ 2 x 2 ìm。 高さ (a)、エラー (b) および側面力 (c) の画像。

AFM イメージ投射は片持梁 (側面力のモードによって接触モードでのためのばねの constand 40 mN/m) 非常に静かに行われました。 100 nm の範囲の直径が付いている高さの画像の小さい円形の点ではっきり解決してであって下さい。 しかしまた 1 つの ìm までの直径が付いているより大きい曲線で囲まれたプラクは観察することができます。 図 19 で表示される横断面は平均高さのステップが 2.3 nm であることを示します。 高さの画像のヒストグラムの分析はまたこの均一高さの分布を示します。 プラクの高さは単一 OPA の分子の長さと対応します。

図 19。 (a) 横断面は OPA の単一層の高さを明記します。 (b) OPA の高さの画像のヒストグラムの分析。 2 つのピークははっきり解決します。

図 18 (c) の側面力の画像では、プラクは純粋な雲母の表面の摩擦と比較される比較的低い側面偏向およびこうしてより低い摩擦を明記します。

OPA によって覆いを取られる領域で縦の偏向の画像で見えないより暗い領域のパターンは解決しますより明るく。

結論

このレポートでは私達はアルカン、アルカン派生物、 aromates およびポリマーからなされたサンプルの AFM ベースの調査を示しました。 サンプル表面の特性についての情報はマイクロメートルおよびナノメーターの範囲で得ることができます。 分子アセンブリは単一の分子の長さまで解決できます。 段階分離現象はまた単独で純粋な表面の特性によってだけ、調査できます。 蛍光サンプルの場合には私達は AFM と正常に蛍光顕微鏡を結合しました。

確認応答

私達は、 BOPP ホイルの PSb PMMA サンプル先生 Heng Yong Nie、ロンドン、オンタリオ、カナダおよび教授に Mervyn Milesブリストル大学、球顆のサンプルのためのイギリス、先生にトマス Thurn アルフレヒトハレドイツの大学教授感謝します Fank Balzer のフンボルト大学ベルリンパラグラフhexaphenyl の nanofibre のサンプルのためのドイツ

ソース: JPK の器械

このソースのより多くの情報のために JPK の器械を訪問して下さい

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

Last Update: 13. June 2013 18:00

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