Агрегаты Органической Смеси Воображения любят Олигомеры, Полимеры и Производные Алкана Используя Скеннирование Принуждают Микроскопию

Покрытые Темы

Предпосылка

Микроскопия Усилия Скеннирования

Почему Полезно Иметь Микроскоп Усилия Скеннирования Для Исследования Полимера?

Измерительное Оборудование и Образцы AFM

Воображение Олигомера

Hexacontane

p-Hexaphenyl (p-6P)

Воображение Полимера

Сополимер Блока Полистироля-PMMA

Сополимер Triblock Стиропласт-Бутадиен-Стиропласта SBS

Двухосно Ориентированный Полипропилен

Сферолиты

Монослои Собранные Собственной Личностью Фосфоновой Кислоты с Длинней Алкиловой Цепью

Заключения

Подтверждения

Предпосылка

Микроскопия усилия Скеннирования (SFM), также известная как атомная микроскопия усилия (AFM), поверхностный метод воображения основанный на чисто механически процессе воображения. Во Время своего развития над последними 20 летами это было ключевой аппаратурой в nanoscience и нанотехнологии. В AFM очень острая подсказка прикрепленная к cantilever принесена в очень близость к поверхности и после этого просмотренному построчному для того чтобы зондировать поверхностную текстуру образца.

Микроскопия Усилия Скеннирования

Микроскопия усилия Скеннирования позволяет в-situ измерениях которые не требуют пятнать или покрывать образца как необходима в методах электронной микроскопии. В зависимости от параметров образца, режим контакта или динамические режимы (например режим IC) можно использовать для того чтобы получить высокие изображения разрешения даже на очень мягких образцах. В режиме контакта подсказка просмотрена непрерывно в очень близости через образец. В динамическом образце подсказки режима взаимодействие может быть уменьшено путем использование вибрируя cantilever. В добавлении, динамический режим обеспечивает качественную информацию о параметрах образца путем наблюдать сигналом участка.

Почему Полезно Иметь Микроскоп Усилия Скеннирования Для Исследования Полимера?

AFM достигает более высокого разрешения сравненного с традиционными методами микроскопии как светлая микроскопия (LM) и confocal микроскопия скеннирования лазера (CLSM).

Методы Электронной микроскопии (EM) также часто использованы в исследовании полимера и AFM можно использовать как комплементарный инструмент для того чтобы изучить такие подготовки полимера которые слишком чувствительны быть изученным с лучом электронов.

Подготовка образца AFM соответствующе легка, ни необходимо электропроводящее покрытие, ни любой пятнать образца. Образцы можно держать на внешних условиях, и воображение в жидкости или в органических растворителях возможно, слишком.

Обменивать жидкость также возможен во время эксперимента используя клетку жидкости перфузии. Температуру можно контролировать над широким диапазоном, нормально между 0 и 240 °C.

Совмещать различные методы воображения сохраняет время и водит к более надежным и более содержательным научным результатам. Во Время воображения AFM, образцом можно наблюдать оптически как в отраженном свете, так и в переданном свете. Полностью самомоднейший контраст увеличивая методы переданного света как обеспечено перевернутыми оптически микроскопами можно использовать вместе с AFM, и все методы микроскопии флуоресцирования (confocal, CLSM, TIRF) и применения поляризовыванного света также доступны.

Измерительное Оборудование и Образцы AFM

Все изображения показанные в настоящей статье были получены с JPK NanoWizard® AFM. Этап Полимера JPK и этап JPK LifeScience были использованы, в зависимости от установки применения и образца. Этап Наук о Жизни был установлен на Zeiss Axiovert 200 перевернуло оптически микроскоп. Cantilevers используемые для воображения были от NanoWorld, Mikromasch и Appnanotech.

Образцы мы изучили для этого рапорта были органическими смесями, и естественными и синтетическими примерами, как алканы, производные алкана и aromates. Смеси и технического и академичного интереса. Молекулярный вес образцов изученных в этом рапорте колебается между 300 и 130,000 g/mol.

Воображение Олигомера

Hexacontane

Диаграмма 1. Химическая формула hexacontane, MW 843,62 g/mol.

Hexacontane принадлежит к алканам. Это насыщенная и non-разветвлянная цепь C с 60 атомами углерода (Диаграммой 1). Длина A.C. - одинарная связь C 154 pm, угол C-C-C 104°. Точка плавления смеси между 94 и 96 °C. Hexacontane soluble в теплом ксилоле. Для эксперимента концентрация 0,001 до 0,01 к G/L или mol/L ~ 10-5 до 10-6 необходима. Эта низкая концентрация достиглась с серией разбавления. mg 2 hexacontane был растворен в 2 mL теплого ксилола (нагретого к °C 60, температуре кипения °C ~ 140 ксилола). ìL 30 этого разрешения было разбавлено с ксилолом 870 ìL к концентрации 0,03 mg/mL. ìL 30 этого разрешения после этого было разбавлено с ìL 870 ксилола к концентрации конца 0,001 mg/mL.

Домодельный coater закрутки (1800 возбуждают. /min) был использован для подготовки образца.

Диаграмма 2. изображение AFM подготовки hexacontane на HOPG.

Нашивки представляют одномолекулярные слои hexacontane, лежа рядом с одином другого. Ширина одной нашивки соответствует к длине молекулы hexacontane.

Часть свеже ого HOPG (сильно приказанного пиролизного графита) была использована как субстрат образца. Одно падение разбавленного разрешени разрешения было упадено на субстрат и было закручено для 30 - 60 S. Для механически более стабилизированной подготовки образца образец может быть heated на плиту топления к °C 140 на около 10 MIN. Образец после этого был imaged в динамическом режиме с подсказкой NanoWorld® SSS (супер острого кремния). Самые Лучшие изображения были получены в «мягко» динамическом режиме, относительно слабый амортизировать амплитуды где setpoint около свободной амплитуды.

Сравнивать 2 зеленых зоны в Диаграмме 2 показывает что оба них показывают картину параллельных нашивок с различными ориентациями. Угол между нашивками в 2 доменах 60°. На Диаграмму 3 показано более высокие изображения разрешения не познее один из striped доменов. 7,5 ширины nm нашивок ламелл соответствует с длиной выдвинутой молекулы hexacontane.

Диаграмма 3. подготовленное Hexacontane, на HOPG. Одно lamellum имеет ширину 7,5 nm. размер 95 x 50 nm изображения (a). (b) сигнал, размер 30 x 30 nm изображения

В Диаграмме 4 схематическая диаграмма показывает расположение молекул hexacontane внутри тонкослоистые структуры. Боковой собственн-агрегат молекул формирует striped картины увиденные AFM.

Диаграмма 4. Собственн-Агрегат молекул hexacontane на HOPG водит к тонкослоистым структурам с 7,5 ширинами nm.

Более Высокого разрешения можно также достигнуть используя AFM. Атомное разрешение решетки было достигано под внешними условиями на некоторых кристаллических сконденсированных образцах дела как HOPG (сильно приказанный пиролизный графит) и поверхности слюды, как показано в Диаграмме 5.

Диаграмма 5. Атомное разрешение решетки поверхности слюды. Изображение Высоты. Размер 6,6 nm x 6,6 nm Изображения, z-ряд 0,4 nm. NanoWizard® AFM было установлено на оптически перевернутый микроскоп.

p-Hexaphenyl (p-6P)

Органическая смесь используемая в этом изучении parahexaphenyl, которое можно увидеть как приходящ от структуры bezene. Проспряганный полимер поли-para-Hexaphenylene. P-Hexaphenyl олигомера состоит из линейной цепи 6 бензольных циклов, как показано в Диаграмме 6.

Диаграмма 6. Химическое строение p-Hexaphenyl. C36H26, молекулярный вес 458,60 g/mol.

Подготовка Образца была сделана в процессе сублимации вакуума. Молекулы Hexaphenylene были испарены в вакууме (10-7 mbar) на температурах над °C 330 на 2 различных поверхности, ой поверхность слюды, и покрынную золотом поверхность слюды. В оба случая, образцы были нагреты потом сфокусированным лазерным лучом иона Ar.

Как На слюде, так и на золоте p-6P формирует nanofibers. В зависимости от substrante, расположение смеси водит к очень различным картинам волокна. На компоситах экспоната поверхностей p-6P слюды игл-форменных, как замечено в Диаграммы 7.

Диаграмма 7. nanofibres p-Hexaphenyl подготовила на чистой слюде. Изображения (выйденной) Высоты и амплитуды (правые). Ìm X 25 ìm размера 25 Изображения.

Высота и распределение по ширине довольно равномерны, с типичной высотой вокруг 50-70 nm, и типичной шириной 350 nm. Их ширины могут находиться в заказе нескольк 100 нанометров с высотами немного 10 нанометров и длин нескольких 10 к нескольким сотни микронов. Зоны покрытые иглами выровнянными в таком же направлении могут достигнуть 1 см2.

Между иглами, огромным числом малых многоточий можно наблюдать. Их плотность уменьшает в близко штаног.

Они состоят из органического материала от которого штанги растутся. Усилия которые управляют ростом поля электрического диполя на поверхности слюды. Свеже ая поверхность белой слюды имеет поверхностное поле диполя 107 V/cm и молекул p-6P вырасти параллельной к направлению этого поля.

Облучано с Ультрафиолетовым светом (360 nm) иглы показывают глубокое голубое флуоресцирование на 425 nm, как можно видеть в Диаграмме 8 (c). Одно будущее применение для этих nanofibres может быть использовать их как nano-lightguides.

Диаграмма 8. Micromanipulation на nanofibres. Подсказка AFM была использована для того чтобы поцарапать nanofibres с поверхности слюды. Высота изображений AFM (a), и амплитуда (b) имеют размер развертки ìm X 25 25 ìm. Поцарапанная область имела ìm 10 ìm x размера 10. Изображение флуоресцирования (c) имеет размер 70 ìm ìm x 70.

С AFM микроскопию флуоресцирования можно выполнить одновременно, и воображение оптически и AFM можно использовать в-situ для того чтобы изучить эти типы nanofibres и их оптически свойств.

Здесь подсказка AFM была использована для того чтобы поцарапать nanofibres от зоны поверхности слюды, как показано в Диаграмме 8. Cantilever с относительно высокой константой весны (40 N/m) был использован как инструмент для манипуляции образца.

Поэтому динамический режим воображения (режим IC) был использован для воображения на низком усилии без нарушать волокна. Аппаратура была использована в режиме контакта для манипуляции, используя прикладное усилие nN 100.

Подготовлять p-hexaphenyl на золот-покрынной слюде водит к a сет-как картина как показано в Диаграмме 9. В этот случай, поле диполя слюды сильное изолировано крышкой золота. Золото само не показывает такое высокое поверхностное поле диполя. Поэтому иглы формируют сеть на поверхности и не выровняны в параллельных линиях.

Диаграмма 9. подготовленные nanofibres p-hexaphenyl на золот-покрынной слюде. Иглы формируют a сет-как структура. Ìm 20 ìm x размера 20 Изображения. Изображения (выйденной) Высоты и амплитуды (правые).

Воображение Полимера

Сополимер Блока Полистироля-PMMA

Первые блок-сополимеры где синтезировано в 1950s. Они содержат хотя бы «блоки» минимума 2 различные в каждой индивидуальной цепи полимера, где костяк составлен различных мономеров. Их преимущество сравненное с традиционными полимерами их улучшенные и controllable физические свойства.

Мономеры блок-polymethyl-меткрилата полистироля di-blockcopolymer (PS-b-PMMA) состоят из соединенных цепей und PMMA полистироля, с молекулярным весом 39.000 g/mol. Для воображения AFM этот образец был подготовлен в процессе закрутк-покрытия на субстрате кремния. В изображении высоты в Диаграмме 10, цилиндры (ширина 10-15 nm, высота 1 nm) лежа на плоской поверхности ясно resolved. Штанги лежат в параллели но изогнутых линиях, и каждая штанга может быть до нескольких микрометров длинних.

В этот случай, плоские цилиндры состоя из PMMA лежат в матрице полистироля. В изображении участка Диаграммы 10, контраст между штангами PMMA (чернотой) и матрица полистироля (зеленый цвет) ясно resolved.

Диаграмма сополимер блока 10. PS-b-PMMA. Ìm размера 1 x 1 Изображения. Изображение (выйденной) Высоты и участка.

Сополимер Triblock Стиропласт-Бутадиен-Стиропласта SBS

Известный сополимер tri-блока SBS (бутадиен-stryrene стиропласта). SBS принадлежит к группе в составе термопластиковые эластомеры и сделано анионной полимерностью. В случае SBS одно начинает с анионной полимеризацией стиропласта, и добавляет бутадиен, после того как все мономеры стиропласта были прореагированы. Начинать реакцию водит к иону a отрицательно - порученному. Эти разрешения реакции вызваны «живя полимерами» потому что в окружающей среде освободите воды и protic растворителей отрицательно - порученные органические ионы остают там, также после того как все мономеры полимеризованы.

Диаграмма 11. (a) Очень простой схематический взгляд молекулы сополимера блока SBS. (b) Химическое строение разделов полистироля и полибутадиена. Маркированы Части сформированные от мономеров стиропласта (красных) и мономеров бутадиена (голубых).

Чисто полистироль хрупкая и грубая трудная пластмасса, и это дает SBS свою стойкость. Полибутадиен rubbery, и это дает SBS свое резин-как свойства и предотвращает полистироль от ломать. Во Время реакции длины цепей стиропласта или бутадиена можно контролировать индивидуально. Сополимеры с короткой мягкой бутадиен-цепью сильно прозрачны, глянцеваты и удар - упорные. Полимер использован для еды и косметик упаковывая и сжимая фольгу, тех с более длинними цепями бутадиена для подошв ботинка и профилей шины. Молекулярный вес образца используемого здесь был 130.000 g/mol.

Диаграмма 12. Блок-сополимер SBS imaged в режиме IC. Ìm x размера 1 Изображения 1 ìm. Левая Сторона: изображение высоты, право: изображение участка. В зонах изображения участка темных соответствуйте к полибутадиену, ярким зонам к полистиролю.

Для измерений AFM SBS должно быть подготовлено на твердой поддержке. Во-первых, SBS было растворено в толуоле к окончательному разрешению W/v. 5%. Тонкие фильмы поддержанные выскальзованием стеклянной крышки были подготовлены на coater закрутки (1800 возбуждают. /min).

Отжиг Вакуума SBS на температурах над °C 100 (°C 190 в этот случай) водит к разъединению nano-участка. В отличие от изображений высоты AFM PS-b-PMMA (Диаграмма 10), изображение высоты в Диаграмме 12 показывает относительно featureless поверхность, с ямами 80 nm в диаметре и 3 до 4 nm глубоких. Изображение участка показывает сильный контраст от 10-15 штаног nm широких темных в яркой матрице, где штанги 60 nm или более длиной. Анализ гистограммы изображения участка в Диаграмме 13 (a) ясно разрешает 2 вида.

В этот случай образец стиропласт-богатые люди SBS. Некоторые сополимеры блока показывают de-смешивая явления должные к нерастворимости полибутадиена в полистироле. От данных по (TEM) электронной просвечивающей микроскопии знано что бутадиен формирует шестиугольно упакованные цилиндры, врезанные в матрице стиропласта, как показан схематически в Диаграмме 13. Это значит что в изображении участка Диаграммы 12, темные области соответствуют к полибутадиену и ярким областям к полистиролю.

Диаграмма 13. (a) Гистограмма значений в изображении участка Диаграммы 12. (b) В стиропласт-богатые люди SBS формы участка несовершеннолетия (полибутадиена) шестиугольно конц-упакованная структура цилиндра.

Двухосно Ориентированный Полипропилен

Как полипропилен сополимеров также двухосн-ориентированный (BOPP, более новая аббревиатура PP-BO) принадлежит к полимерам которые общие в ежедневной пользе. Имя приходит от процесса производства в котором фольга полипропилена протягивана в 2 направлениях. Изображение AFM в Диаграмме 14 показывает a волокн-как структура. Волокна вполне не отдельно и ориентированы от выйденной верхушкы к нижней правильной позиции изображения. Соединяясь волокна также могут быть увиденный распространять от левого к праву.

Диаграмма 14. Двухосн-Ориентированная фольга полипропилена. Размер 800 nm x 800 nm Изображения, ряд 33 nm высоты. Изображения (выйденной) Высоты и участка (правые).

Сравнено с стандартными фольгами PP-BO полипропилена получает увеличенные транспарант и яркость но также добавляет более лучшие механически параметры как добавленный разрыв и царапать сопротивление так же, как высокая жесткость, хорошее сопротивление и непромокаемость низкой температуры для жидкостей и газов. PP-BO широко распространено, также для пользы домочадца (мешков, фольг). Monoaxially-Ориентированный полипропилен который только протягиван в одном направлении часто использован для слипчивых фольг. С 10 лет, увеличивая количество стран (Австралии, Румыния и других) выдает их кредитки сделанные из PP-BO должного к их сопротивлению износа и более высокому числу вариантов для того чтобы добавить признаки безопасности.

Сферолиты

Некоторые бактерии используют поли-hydroxybutyrate (PHB) как молекула хранения еды. Путем изменять исходное сырьё их можно также принудить произвести названный сополимер состоять из PHB-PHV поли-hydroxybutyrate-поли-hydroxyvalerate который содержит ù-окси мономеры валериановой кислоты.

Диаграмма 15. Химическая формула поли-hydroxybutyrate. Она синтезирована в реакции поликонденсации ù-окси мономеров масляной кислоты.

Много полимеров клонат сложить вдоль длины цепи для того чтобы сформировать большие плоские кристаллы, с толщиной гораздо малее чем боковых размеров. Эти ламеллы часто сформированные параллельные к одину другого и формируют наслоенные кристаллические листы. Листы также могут сформировать более большие расположения, где ламеллы растут приблизительно радиально вне от центра сферолита полимера. Изображения показанные в Диаграмме 16 показывают центральному разделу одного эти структуры сферолита.

Диаграмма 16. (Выйденное) изображение Высоты и изображение участка (правое) структуры сферолита в фильме PHB-PHV. Ìm 8, ряд 140 nm ìm x размера 8 Изображения высоты.

Монослои Собранные Собственной Личностью Фосфоновой Кислоты с Длинней Алкиловой Цепью

Кислота Octadecylphosphonic (OPA) amphiphilic молекула с A.C. - цепь алкила 18 и группа фосфоновой кислоты на одном конце (Диаграмме 17). Она использована для изменения oxidic поверхностей металла (запассивированности). На алюминиевых поверхностях она служит как протектор корозии и она также была использована для химического изменения titanium поверхностей implant.

Диаграмма 17. Кислота Octadecylphosphonic (OPA), CH3(CH2)17PO3H2, молекулярный вес 334,5 g/mol.

Подготовлять OPA на слюде водит к робастным собственн-собранным монослоям. Для подготовки монослоев OPA на слюде, OPA растворено в этаноле (0,25 mM) и разрешение распространено на свеже ый лист слюды (8 x 8 mm). OPA позволено адсорбировать для 10 s, тогда сверхнормальное разрешение извлекается с потоком сухого азота.

Диаграмма 18. OPA подготовило на слюде водит к одномолекулярным слоям. Размер 2 x Развертки ìm 2. Изображения Высоты (a), ошибки (b) и бокового усилия (c).

Воображение AFM было выполнено в режиме контакта с очень мягко cantilever (constand 40 mN/m весны) для режима бокового усилия. В многоточиях изображений высоты малых круглых с диаметрами в ряде 100 nm ясно resolved. Но также более большими криволинейными металлическими пластинками с диаметрами до 1 ìm можно наблюдать. На поперечное сечение показанное в Диаграмме 19 показано что средний шаг высоты 2,3 nm. Анализ гистограммы изображения высоты также показывает это равномерное распределение высоты. Высота металлических пластинк соответствует с длиной одиночной молекулы OPA.

Диаграмма 19. (a) Профиль показывает высоту монослоя OPA. (b) Анализ Гистограммы изображения высоты OPA. 2 пика ясно resolved.

В изображении бокового усилия в Диаграмме 18 (c), металлические пластинкы показывают относительно низкое боковое отклонение и таким образом более низкое трение сравненные с трением на чисто поверхности слюды.

На областях расчехленных OPA картина более ярких и более темных доменов resolved которые незримы в вертикальном изображении отклонения.

Заключения

В этом рапорте мы представили AFM-основанные изучения на образцах сделанных от алканов, производных, aromates и полимеров алкана. Информация о свойствах поверхности образца смогла быть получена на микрометре и ряде нанометра. Агрегаты Молекулы смогли быть разрешены до длины одиночных молекул. Явления разъединения Участка также смогли быть изучены, не только в зависимости от чисто поверхностных свойств самостоятельно. В случае дневных образцов мы успешно совместили микроскопию флуоресцирования с AFM.

Подтверждения

Мы благодарим Др. Fank Balzer, Университет Берлин Гумбольдта, Германию для образцов nanofibre para-hexaphenyl, Prof. Томаса Thurn-Albrecht, Университет Галле, Германии, для образца PS-b-PMMA, Др. Heng-Yong Nie, Лондона, Онтарио, Канады для фольги BOPP и Prof. Mervyn Мили, Университета Бристоля, Англии, для образца сферолита.

Источник: Аппаратуры JPK

Для больше информации на этом источнике пожалуйста посетите Аппаратуры JPK

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

Last Update: 13. June 2013 18:23

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit