Avbilda lika Oligomers för Organiska Sammansatt Enheter, Tvingar Polymrer och AlkaneDerivata som Använder Scanning, Microscopy

Täckte Ämnen

Bakgrund

Avläsande StyrkaMicroscopy

Varför är den Användbar som Har ett ScanningStyrkaMikroskop För PolymerForskning?

AFM-Instrumentation och Tar Prov

Avbilda för Oligomer

Hexacontane

p-Hexaphenyl (p-6P)

Avbilda för Polymer

Polystyren-PMMAKvarterCopolymer

SBS-Styrene-Butadiene-Styrene Triblock Copolymer

Biaxially Orienterad Polypropylene

Spherulites

Kedjar Församlade Monolayers för Själv av Phosphonic Syra med Lång Alkyl

Avslutningar

Tack till personer

Bakgrund

Avläsande styrkamicroscopy (SFM), också som är bekant som atom- styrkamicroscopy (AFM), är en ytbehandla som avbildar tekniken som baseras på renodlat mekaniskt avbilda som är processaa. Under dess utveckling över jumbon instrumenterar 20 år som den har blivit ett nyckel-, i nanoscience och nanotechnology. I AFM mycket kommas med en korspets som fästas till en cantilever, in i mycket nära närhet till ytbehandla, och därefter avlästa linje för linje som sonderar ytbehandla, texturerar av ta prov.

Avläsande StyrkaMicroscopy

Avläsande styrkamicroscopy låter i-situ mätningar som inte kräver att befläcka eller att täcka av ta prov, som är nödvändigt i tekniker för elektronmicroscopy. Beroende av ta prov parametrar, kontaktfunktionsläge, eller dynamiska funktionslägen (e.g. IC-funktionsläge) kan vara van vid erhåller kickupplösning avbildar även på mycket mjukt tar prov. I kontaktfunktionsläge avläs spetsen fortlöpande i mycket nära närhet över ta prov. I dynamisk funktionslägespets ta prov växelverkan kan minimeras, genom att använda en vibrerande cantilever. I tillägg ger det dynamiska funktionsläget kvalitativ information om tar prov parametrar, genom att observera arrangera gradvis, signalerar.

Varför är det Användbart som Har ett ScanningStyrkaMikroskop För PolymerForskning?

AFM uppnår en högre upplösning som jämförs med de traditionella microscopyteknikerna liksom ljus microscopy (LM) och confocal laser-scanningmicroscopy (CLSM).

Tekniker för Elektronmicroscopy (EM) också används ofta i polymerforskning och AFM kan användas som ett kompletterande bearbetar till sådan polymerförberedelser för studien som är för känsliga att vara utstuderade med en elektron strålar.

AFM tar prov förberedelsen är comparably lätt, finns tar prov det ingen av krävt ledande täcka nor any att befläcka. Tar prov kan hållas på omgivande villkorar, och att avbilda i flytande eller i organiska vätskor är möjligheten, för.

Utbyte av flytanden är också möjligheten under experiment genom att använda en perfusionflytandecell. Temperaturen kan kontrolleras över en lång räcka, normalt mellan 0 och 240 °C.

Kombination av olika avbilda tekniker sparar tid och blytak till pålitligare och mer meningsfull vetenskapliga resultat. Under AFM som avbildar, kan ta prov, observeras optiskt i båda reflekterade lätt och överförda lätt. All modern kontrast som förhöjer överförda ljusa tekniker som förutsatt att av inverterade optiska mikroskop, kan användas samman med AFM, och alla confocal tekniker för fluorescencemicroscopy (, CLSM, TIRF) och polariserade ljusa applikationer är också tillgängliga.

AFM-Instrumentation och Tar Prov

Allt avbildar visat i denna artikel erhölls med en JPK NanoWizard® AFM. JPK-Polymern arrangerar, och JPKNA LifeScience arrangerar användes, beroende av applikationen och tar prov beslag. Vetenskaperna om olika organismers beskaffenhet arrangerar monterades på en Zeiss som Axiovert 200 inverterade det optiska mikroskopet. Cantilevers som användes för att avbilda, var från NanoWorld, Mikromasch och Appnanotech.

Tar prov oss som är utstuderade för denna rapport, var organiska sammansättningar, både som är naturliga och syntetmaterialexempel, liksom alkanes, alkanederivata och aromates. Sammansättningarna är av både tekniskt, och akademiskt intressera. Det molekylärt väger av tar prov utstuderat i denna rapport spänner mellan 300 och 130,000 g/mol.

Avbilda för Oligomer

Hexacontane

Figurera 1. Kemisk formel av hexacontane, MW 843,62 g/mol.

Hexacontane hör hemma till alkanesna. Den är ett genomdränkt, och non-förgrena sig C kedjar med 60 kolatoms (Figurera 1). Längden av A.C. - C-singelförbindelsen är 154 pm, CEN-C-C metar är 104°. Smältningen pekar av sammansättningen är mellan 94 och 96 °C. Hexacontane är lösligt i varm xylene. För experiment är en koncentration av 0,001 - 0,01 till g/l eller mol/L för ~ 10-5 - 10-6 nödvändig. Denna låga koncentration neddes med en förtunningserie. mg 2 av hexacontane upplöstes i 2 mL varm xylene (som värmdes till °C 60, kokpunkten av °C för xylene~ 140). ìL 30 av denna lösning förtunnades med xylenen för 870 ìL till en koncentration av 0,03 mg/mL. ìL 30 av denna lösning förtunnades därefter med ìL 870 av xylenen till en avslutakoncentration av 0,001 mg/mL.

En hemlagad snurrandecoater (1800 varv. /min) användes för tar prov förberedelsen.

Figurera 2. AFM avbildar av en förberedelse av hexacontane på HOPG.

Banden föreställer monomolecular lagrar av hexacontane som ligger bredvid varje annat. Bredden av ett band motsvarar till längden av hexacontanemolekylen.

En lappa av nytt kluven HOPG (högt beställd pyrolytic grafit) användes som en ta provsubstrate. Man tappar av den utspädda lösningen tappades på substraten och roteras för 30 - 60-tal. För ett mer stall ta prov mekaniskt förberedelsen som ta prov kan värmas på en uppvärmning pläterar till °C 140 för minut omkring 10. Ta prov avbildades därefter i dynamiskt funktionsläge med en NanoWorld® SSS (toppna korsilikoner) spets. Bäst avbildar erhölls i ”det mjuka” dynamiska funktionsläget som är menande förhållandevis svagt fukta av amplituden var det setpoint är nära den fria amplituden.

Jämföra de två grönområdena Figurera in 2 visar att båda av dem utställningen som en mönstra av parallellen görar randig med olika riktningar. Meta mellan banden i de två områdena är 60°. Figurera 3 shows som högre upplösning avbildar inom ett av de randiga områdena. Den 7,5 nm-bredden av lamellbanden motsvarar med längden av en fördjupad hexacontanemolekyl.

Figurera 3. Hexacontane som är förberedd på HOPG. En lamellum har en bredd av 7,5 nm. avbilda storleksanpassar 95 x 50 nm, (a). avbildar zoom (b), storleksanpassar 30 x 30 nm

I Figurera 4 schematiska shows för ett diagram som ordningen av hexacontanemolekylarna inom det lamellar strukturerar. Sidosjälv-enheten av molekylarna bildar det randigt mönstrar sett av AFMEN.

Figurera 4. Själv-Enheten av hexacontanemolekylar på HOPG-blytak till lamellar strukturerar med 7,5 nm-bredd.

Högre upplösning kan också uppnås genom att använda AFM. Atom- gallerupplösning har uppnåtts under omgivande villkorar på någon crystalline förtätad materia tar prov liksom HOPG (högt beställd pyrolytic grafit), och mica ytbehandlar, som visat in Figurera 5.

Figurera 5. Atom- gallerupplösning av en mica ytbehandlar. Höjd avbildar. Image storleksanpassar 6,6 nm x 6,6 nm, z-spänner 0,4 nm. NanoWizard® AFM installerades på ett optiskt inverterat mikroskop.

p-Hexaphenyl (p-6P)

Den organiska sammansättningen som används i denna studie, är parahexaphenylen, som kan ses, som kommande från en bezene strukturera. Den konjugerade polymern är poly-para-Hexaphenylene. Oligomerpen-Hexaphenyl består av ett linjärt kedjar av sex benzene ringer, som visat in Figurera 6.

Figurera 6. Kemiskt strukturera av p-Hexaphenyl. C36H26 som är molekylära väger 458,60 g/mol.

Ta Prov förberedelsen gjordes i en processaa dammsugasublimation. Hexaphenylene molekylar avdunstades in dammsuger (10-7 mbar) på temperaturer ovanför 330 som °C på olika två ytbehandlar, ytbehandlar en kluven mica, och en guld- täckt mica ytbehandlar. I båda fall tar prov värmdes därefter av en fokuserad Ar, jon somlaser strålar.

På både mica och guld- bildar pen-6P nanofibers. Beroende av substranten mönstrar ordningen av den sammansatt blytaket till mycket olik fiber. På mica ytbehandlar visare-formade aggregat för p-6P utställningen, som sett in Figurera 7.

Figurera 7. p-Hexaphenylnanofibres som är förberedda på ren mica. (Lämnad) Höjd och amplitud (rätt) avbildar. Image storleksanpassar ìm för 25 ìm X.25.

Höjd- och breddfördelningen är ganska enhetlig, med en typisk höjd omkring 50-70 nm och en typisk bredd av 350 nm. Deras bredder kan vara i beställa av flera hundra nanometers med höjder av några tio nanometers och längder av flera tio till flera hundratals mikroner. Områden som täckas av visare som arrangera i rak linje i den samma riktningen, kan ne 1 cm2.

Mellan visarna numrerar ett enormt av litet pricker kan observeras. Deras täthetminskningar i det near av stängerna.

De består av det organiska materiellt från vilket stängerna är fullvuxna. Styrkorna, som kör tillväxten, är den elektriska dipolen sätter in på micaen ytbehandlar. En nytt kluven muscovitemica ytbehandlar har en ytbehandladipole att sätta in av 107 V/cm, och p--6Pmolekylarna växer parallella till riktningen av denna sätter in.

När de bestrålas med UV ljust (360 nm) visar visarna en djupblå fluorescence på 425 nm, som synes i Figurerar 8 (c). En framtida applikation för dessa nanofibres kan vara att använda dem som nano-lightguides.

Figurera 8. Micromanipulation på nanofibres. AFM-spetsen var van vid skrapananofibres av micaen ytbehandlar. AFMEN avbildar höjd (a), och har amplitud (b) en bildläsning att storleksanpassa av ìm för 25 ìm X.25. Det skrapade området hade en ìm 10 för ìm x för storleksanpassa 10. Fluorescencen avbildar (c) har en storleksanpassa av 70 ìm för ìm x 70.

Efter AFMEN kan en fluorescencemicroscopy utföras samtidigt, både optisk och för AFM avbilda kan användas i-situ till studie dessa typer av nanofibres och deras optiska rekvisita.

Här var AFM-spetsen den van vid skrapan som nanofibresna från en region av micaen ytbehandlar, som visat in Figurera 8. En cantilever med en kick fjädrar förhållandevis konstanten (40 N/m) användes som en bearbeta för behandlig av ta prov.

Därför användes ett dynamiskt avbilda funktionsläge (IC-funktionsläge) för att avbilda på låg styrka, utan att störa fibrerna. Instrumentera användes i kontaktfunktionsläget för behandlig, genom att använda en applicerad styrka av nN 100.

Förbereda p-hexaphenyl på guld--täckt micablytak till ennågot liknande mönstra, som visat in Figurera 9. I detta fall micas sätter in starka dipole isoleras av det guld- täcker. Guld- ställer ut sig själv inte en sådan kick ytbehandlar dipolen sätter in. Därför bildar arrangera i rak linje visarna en knyta kontakt på ytbehandla och inte i parallell fodrar.

Figurera 9. p-hexaphenylnanofibres som är förberedda på guld--täckt mica. Visare bildar ennågot liknande strukturerar. Image storleksanpassar 20 ìm för ìm x 20. (Lämnad) Höjd och amplitud (rätt) avbildar.

Avbilda för Polymer

Polystyren-PMMAKvarterCopolymer

De första kvarter-copolymersna, var synthesized i 50-tal. De innehåller åtminstone minimum två olika ”kvarter” i varje individ som polymern kedjar, var ryggraden komponeras av olika monomers. Deras fördel som jämförs med traditionella polymrer, är deras förbättrade och controllable läkarundersökningrekvisita.

Monomersna av di-blockcopolymerpolystyrenkvarter-polymethyl-methacrylaten (PS-b-PMMA) består av anknutit kedjar av polystyrenund PMMA, med ett molekylärt väger av 39.000 g/mol. För AFM som avbildar denna, ta prov var förberett i snurrande-täcka som är processaa på en silikonsubstrate. I höjden avbilda Figurerar in 10, cylindrarna (bredd 10-15 nm, höjd 1 nm) som ligger på en lägenhet, ytbehandlar lösas klart. Stängerna ligger i parallell, men buktat fodrar, och varje stång kan vara upp till flera långa mikrometrar.

I detta fall ligger lägenhetcylindrarna som består av PMMA, i en polystyrenmatris. I arrangera gradvis avbilda av Figure 10, kontrasten mellan PMMA-stängerna (svart), och polystyrenmatrisen (gräsplan) lösas klarare.

Figurera 10. Copolymer för kvarter PS-b-PMMA. Image storleksanpassar 1 x 1 ìm. (Lämnad) Höjd och arrangerar gradvis avbildar.

SBS-Styrene-Butadiene-Styrene Triblock Copolymer

En välkänd tri-kvarter copolymer är SBS (styrenebutadiene-stryrene). SBS hör hemma till gruppen av thermoplastic elastomers och göras av anionic polymerisation. I SBS-fallet startar tillfogar ett med den anionic polymerisationen av styrene och butadiene, efter alla styrenemonomers har reagerats. Start som reaktionen leder till den laddade jonen för a negativt -. Dessa reaktionslösningar kallas ”att bo polymrer,”, därför att i som en miljö frigör av bevattnar och protic vätskor negativt - laddade organiska joner återstår där, också, efter alla monomers har polymeriserats.

Figurera 11. (a) Mycket enkelt schematiskt beskådar av molekylen för SBS-kvartercopolymer. (b) Kemiskt strukturera av polystyrenen, och polybutadienen delar upp. Delar som bildas från (röda) styrenemonomers, och butadienemonomers (blått) markeras.

Den Rena polystyrenen är ett bräckligt och tufft hårt plast-, och denna ger SBS dess hållbarhet. Polybutadienen är rubbery, och denna ger SBS dess gummi-något liknande rekvisita och förhindrar polystyrenen från att bryta. Under reaktionen kedjar längderna av styrenen eller butadienen kan kontrolleras individuellt. Copolymers med ett kort mjukt butadiene-kedjar är högt genomskinliga, skins och får effekt - resistent. Polymern används för mat, och skönhetsmedel som paketerar och krymper, omkullkastar, kedjar de med längre butadiene för skor sular och tröttar däckmönster. Det molekylärt väger av ta prov som här används, var 130.000 g/mol.

Figurera 12. SBS-kvarter-copolymer som avbildas i IC-funktionsläge. Image storleksanpassar 1 ìm x 1 ìm. Lämnat: höjd avbildar, högert: arrangera gradvis avbildar. I arrangera gradvis avbilda mörkerområden motsvarar till polybutadienen, ljusa områden till polystyrenen.

För AFM-mätningar måste SBS att vara förberedd på en fast service. Först upplöstes SBS i toluene till en finallösning av 5% W/v. Det tunt filmar stöttat av ett exponeringsglas täcker snedsteget var förberett på en snurrandecoater (1800 varv. /min).

Dammsuga att härda av SBS på temperaturer ovanför 100 blytak för °C (°C 190 i detta fall) för nano-att arrangera gradvis avskiljande. I kontrast till AFM-höjden avbildar av PS-b-PMMA (Figurera 10), höjden avbildar Figurerar in 12 utställningar som ett förhållandevis formlöst ytbehandlar, med gropar av 80 nm i diameter och djupgående 3 - 4 nm. Arrangera gradvis avbildar utställningar en stark kontrast från 10-15 breda mörkerstänger för nm i en ljus matris, var stängerna är 60 nm eller longer. Histogramanalysen av arrangera gradvis avbildar Figurerar in 13 (a) löser klart den två arten.

I detta fall är ta prov enrik SBS. Några kvartercopolymers visar de-blandande fenomen tack vare insolubilityen av polybutadienen i polystyren. Från överföring-elektron-microscopy (TEM) data som det är bekant, att butadiene bildar sexhörnigt packade cylindrar, inbäddade i en styrenematris, som visat schematically i, Figurera 13. Detta motsvarar hjälpmedlet, som i arrangera gradvis avbildar av Figure 12, mörkerområdena till polybutadienen och ljusa områden till polystyrenen.

Figurera 13. (a) Histogrammet av värderar i arrangera gradvis avbildar av Figure 12. (b) I enrik SBS som minoriteten arrangerar gradvis (polybutadienen) bildar en sexhörnigt slut-packad cylinder strukturerar.

Biaxially Orienterad Polypropylene

Gilla biaxially-orienterade polypropylenen för copolymers den också (BOPP, en nyare förkortning är PP-BO), hör hemma till polymrerna som är vanligt i dagligt bruk. Det känt kommer från det fabriks- bearbetar i vilket en polypropylene omkullkastar är sträckta itu riktningar. AFMEN avbildar Figurerar in 14 avslöjer ennågot liknande strukturerar. Fibrer är inte fullständigt separata och orienteras från det övre vänstra till den nedersta rätsidan av avbilda. Förbindande fibrer också kan vara sedd fördelning från från vänster till höger.

Figurera 14. Biaxially-Orienterad polypropylene omkullkastar. Image storleksanpassar 800 nm x 800 nm, höjd spänner 33 nm. (Lämnad) Höjd och arrangerar gradvis (rätten) avbildar.

Jämfört med standard polypropylene omkullkastar PP-BO har fått en ökande stordia och begåvning men har också tillfogat bättre mekaniska parametrar liksom den ökade revan och skrapamotstånd såväl som en kickstyvhet, ett bra motstånd och impermeability för låg temperatur för flytande och gasar. PP-BO är brett spridd, också för hushållbruk (hänger lös, omkullkastar). Monoaxially-Orienterad polypropylene, som sträcks endast i en riktning, används ofta för bindemedel omkullkastar. Efter 10 år numrerar ett ökande av länder (Australien, Rumänien och andra) utfärdar deras sedlar som göras ut ur deras PP-BO tack vare, ha på sig motstånd och numrerar higher av alternativ för att tillfoga säkerhetssärdrag.

Spherulites

Några bakterier använder poly-hydroxybutyrate (PHB) som en matlagringsmolekyl. Genom att ändra feedstocken, kan de också tvingas till jordbruksprodukter en copolymer som namnges PHB-PHV som består av poly-hydroxybutyrate-poly-hydroxyvalerate som innehåller ù-hydroxy valeric syrliga monomers.

Figurera 15. Kemisk formel av poly-hydroxybutyrate. Den synthesizeds i en polycondensationreaktion av ù-hydroxy butyric syrliga monomers.

Många polymrer ansar för att vika längs kedjalängden för att bilda stora lägenhetkristaller, med en mycket mindre tjocklek, än lateralen dimensionerar. Dessa lameller är ofta den bildade parallellen till varje annan och bildar den i lagra kristallen täcker. Täcker också kan bilda större ordningar, var lamellerna växer ungefärligt radial ut från centrera av en polymerspherulite. Avbildar visat in Figurerar show 16 som centralen delar upp av en som är dessa spherulite, strukturerar.

Figurera 16. Höjd avbildar (lämnat) och arrangerar gradvis avbildar (rätten) av en spherulite strukturerar i en PHB-PHV filmar. Image storleksanpassar 8 ìm för ìm x 8, höjd spänner 140 nm.

Kedjar Församlade Monolayers för Själv av Phosphonic Syra med Lång Alkyl

Octadecylphosphonic syra (OPA) är en amphiphilic molekyl med A.C. - alkyl 18 kedjar, och en phosphonic syrlig grupp på en avslutar (Figurera 17). Den används för ändring av oxidic belägger med metall ytbehandlar (passivation). På aluminium ytbehandlar det servar, som ett korrosionsbeskyddande och det har också använts för kemisk ändring av den titanium implantatet ytbehandlar.

Figurera 17. Octadecylphosphonic syra (OPA), H3för CH som (2CH17)3PO2är molekylärt väger 334,5 g/mol.

Förbereda OPA på micablytak till robustt själv-församlade monolayers. För förberedelsen av OPA-monolayers på mica upplösas OPA i ethanol (0,25 en mm), och lösningen är spridd på som klyvas nytt, täcker av mica (8 x en mm 8). OPAEN är tillåten att adsorbera för 10 s, då tas den överskott lösningen bort med en strömma av torr ett gasformigt grundämne.

Figurera 18. OPA som är förberedd på micablytak till monomolecular lagrar. Bildläsningen storleksanpassar ìm 2 x 2. Höjd (a), fel (b) och sidostyrka (c) avbildar.

Att avbilda för AFM utfördes i kontaktfunktionsläge med en mycket mjuk cantilever (fjädra constand 40 mN/m), för sidostyrkafunktionsläge. I höjden avbildar den små rundan pricker med diametrar i 100na som nm spänner lösas klart. Men också kan större curvilinear plattor med diametrar upp till 1 ìm observeras. Tvärsnittet som in visas, Figurerar 19 indikerar att medellängden kliver är 2,3 nm. Histogramanalysen av höjden avbildar visar också denna enhetliga höjdfördelning. Höjden av plattorna motsvarar med längden av en molekyl för singel OPA.

Figurera 19. (a) Tvärsnittet indikerar höjden av OPA-monolayeren. (b) Histogramanalys av OPA-höjden avbildar. Två nå en höjdpunkt lösas klart.

I sidostyrkan avbilda Figurerar in 18 (c), plattorna indikerar att en förhållandevis låg sidoavböjning och en lägre friktion som jämförs med friktionen på den rena micaen ytbehandlar thus.

På områdena som är avtäckta vid OPA lösas en mönstra av ljusare och mörkare områden, som är osynlig i lodlinjeavböjningen avbildar.

Avslutningar

I denna rapport som vi framlade AFM-baserade studier tar prov på, gjort från alkanes, alkanederivata, aromates och polymrer. Information om ta prov ytbehandlar rekvisita kunde erhållas på en mikrometer, och en nanometer spänner. Molekylenheter kunde lösas upp till längden av singelmolekylar. Arrangera Gradvis avskiljandefenomen också kunde vara utstuderat, inte endast beroende av det rent ytbehandlar rekvisita bara. I fall att av fluorescerande tar prov oss kombinerade lyckat fluorescencemicroscopy med AFM.

Tack till personer

Vi tackar Dr. Fank Balzer, den Humboldt Universitetar Berlin, tar prov Tysklandet för den para-hexaphenyl nanofibren, Prof. Thomas Thurn-Albrecht, Universitetar av Halle, Tyskland, för PSen-b-PMMA ta prov, Dr. Heng-Yong Nie, London, Ontario, omkullkastar Kanada för BOPPEN, och Prof. Mervyn Miles, den Bristol Universitetar, England, för spheruliten tar prov.

Källa: JPK Instrumenterar

För mer information på denna källa behaga besök JPK Instrumenterar

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

Last Update: 13. June 2013 18:32

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit