想象有机化合物集合喜欢齐聚物,聚合物,并且使用扫描的烷衍生商品强制显微学

包括的事宜

背景

扫描强制显微学

为什么是有聚合物研究的扫描强制显微镜有用的?

AFM 手段和范例

齐聚物想象

Hexacontane

p-Hexaphenyl (p-6P)

聚合物想象

多苯乙烯PMMA 嵌段共聚物

SBS 苯乙烯丁邻二烯苯乙烯 Triblock 共聚物

双轴针对的聚丙烯

球粒

自磷的酸被装配的单层与长的烷基链子的

结论

鸣谢

背景

扫描强制显微学 (SFM),亦称基本强制显微学 (AFM),是在一个纯粹地机械想象进程基础上的表面成象技术。 在其发展期间在过去 20 年期间它在 nanoscience 和纳米技术方面成为一台关键仪器。 在 AFM 一个非常锋利的技巧附加悬臂被带领进入非常与表面然后浏览的一行行的几乎接近探查这个范例的表面纹理。

扫描强制显微学

扫描强制显微学允许不要求弄脏或涂上这个范例的原地评定象必要的在电子显微镜术技术。 根据范例参数,联系模式或动态模式 (即集成电路模式) 可以用于得到高分辨率图象甚而在非常软的范例。 在联系模式下这个技巧在非常在这个范例间的几乎接近不断地浏览。 通过使用一个振动的悬臂,在动态模式技巧范例交往可以减到最小。 另外,这个动态模式通过观察阶段信号提供关于范例参数的定性信息。

为什么是有聚合物研究的扫描强制显微镜有用的?

AFM 达到更加高分辨率比较传统显微学技术例如光学显微学 (LM)和共焦的激光扫描显微镜 (CLSM)。

电子显微镜术技术 (EM) 也是常用的在聚合物研究和 AFM 可以使用作为一个补充工具学习是太敏感的以至于不能学习与电子束的这样聚合物准备。

AFM 范例准备是可比较容易,没有导电性涂层需要的,和任何范例弄脏。 范例可以被保留在四周情况,并且想象在液体或在有机溶液是可能的,也是。

交换液体在这个实验期间也是可能的使用灌注液体细胞。 这个温度可以是受控的在大范围,通常在 0 个和 240 个 °C. 之间。

结合不同的成象技术节省时间并且导致更加可靠和更加有意义的科学结果。 在 AFM 想象期间,这个范例在反射光和透过光可以光学上被观察。 提高透过光技术的所有现代对比如所提供由被倒置的光学显微镜可以与 AFM 一起使用,并且所有荧光显微法技术 (共焦, CLSM, TIRF) 和偏光应用也是可用的。

AFM 手段和范例

在此条款显示的所有图象得到了与 JPK NanoWizard® AFM。 JPK 聚合物阶段和 JPK LifeScience 阶段根据应用和范例挂接使用了。 生命科学阶段被挂接在 Axiovert 200 倒置光学显微镜的蔡司上。 用于想象的悬臂是从 NanoWorld、 Mikromasch 和 Appnanotech。

我们为此报表学习的范例是有机化合物,自然和综合示例,例如烷、烷衍生商品和 aromates。 化合物是技术和学术利益。 在此报表学习的范例的分子量排列在 300 个和 130.000 g/mol 之间。

齐聚物想象

Hexacontane

图 1. 化学式 hexacontane,兆瓦 843.62 g/mol。

Hexacontane 属于烷。 它是与 60 个碳原子 (图 1) 的一个饱和的和非分支的 C 链子。 a.c. 的长度 - C 不附条件的债券是下午154点, C-C-C 角度是 104°。 这种化合物的熔点在 94 和 96 个 °C. Hexacontane 之间是可溶解的在温暖的二甲苯。 对于这个实验 0.001 - 0.01 对 g/L 或 ~ 10-5 - 10-6 mol/L 的浓度是需要的。 此低浓度到达了与稀释串联。 2 hexacontane 毫克在 2 mL 被溶化了温暖的二甲苯 (被加热对 60 °C,沸点二甲苯 ~ 140 °C)。 30 此解决方法 ìL 用对 0.03 mg/mL 的浓度的 870 ìL 二甲苯稀释了。 30 此解决方法 ìL 用 870 二甲苯 ìL 对 0.001 mg/mL 的结尾浓度的然后稀释了。

自创空转涂料工 (1800 Rev./分钟) 为范例准备使用了。

在 HOPG 的图 2. hexacontane 的准备的 AFM 图象。

数据条表示 hexacontane 单分子层,紧挨着位于。 一数据条的宽度对应于 hexacontane 分子的长度。

部分新近地被劈开的 HOPG (高度被定购的高温分解的石墨) 使用了作为范例基体。 被稀释的解决方法的一下落下降了在这个基体上并且为 30 - 60 S. 空转。 对一个机械上更加稳定的范例准备这个范例可以是激昂在热化牌照上对 140 °C 大约 10 Min。 这个范例然后是印象的在与 NanoWorld® SSS (超级锋利的硅) 技巧的动态模式下。 最佳的图象在动态模式下 “软绵绵地”得到了,意味调整点在这个自由高度附近的一相对地弱阻止高度。

比较二绿地在表 2 向显示他们两个陈列并行数据条的模式用不同的取向的。 在数据条之间的角度在二个域是 60°。 图 3 在其中一个显示更加高分辨率的图象镶边域之内。 鳞片数据条的 7.5 毫微米宽度对应与一个延长的 hexacontane 分子的长度。

在 HOPG 的图 3. Hexacontane,准备。 一 lamellum 有宽度的 7.5 毫微米。 (a) 图象范围 95 x 50 毫微米。 (b) 缩放,图象范围 30 x 30 毫微米

在表 4 一张简图显示 hexacontane 分子的排列在层状结构内的。 分子的侧向自集合形成 AFM 看到的条纹图形。

图 4. hexacontane 分子自集合在 HOPG 导致与 7.5 毫微米宽度的层状结构。

使用 AFM,更加高分辨率能也达到。 基本格子解决方法在某个水晶浓缩的问题范例的四周条件下达到例如 HOPG (高度被定购的高温分解的石墨) 如图 5. 所显示,和云母表面。

图 5. 基本云母表面的格子解决方法。 高度图象。 图象范围 6.6 毫微米 x 6.6 毫微米, z 范围 0.4 毫微米。 NanoWizard® AFM 在一个光学倒置显微镜被安装了。

p-Hexaphenyl (p-6P)

用于此研究的这个有机化合物是 parahexaphenyl,能被看见如来自 bezene 结构。 这个被共轭的聚合物是多巴拉Hexaphenylene。 如图 6. 所显示,齐聚物 p-Hexaphenyl 包括六苯环一个线性链子。

图 6. 化学结构 p-Hexaphenyl。 C36H26,分子量 458.60 g/mol。

范例准备在真空升华进程中完成。 Hexaphenylene 分子在真空 (10-7 mbar) 被蒸发了在 330 °C 上的温度在二不同表面、被劈开的云母表面和馏金的云母表面上。 在两种情况下,激光一个集中的 Ar 离子之后加热范例。

在云母和金子这个 p-6P 形成 nanofibers。 根据 substrante,这种化合物的排列导致非常不同的纤维模式。 在云母表面 p-6P 展览针型综合,如在图 7. 中看到。

图 7. p-Hexaphenyl nanofibres 在干净的云母准备。 高度 () 和高度 (正确的) 图象。 图象范围 25 ìm x 25 ìm。

高度和宽度配电器是相当统一的,与一个典型的高度大约 50-70 毫微米和一个典型的宽度的 350 毫微米。 他们的宽度可以按与高度的数百毫微米的顺序几十的一些十个毫微米和长度到几数百微米。 针包括的面积对齐在同一个方向可能到达 1 cm2

在针之间,小的小点的一个巨大数目可以被观察。 他们的密度在最近减少标尺。

他们包括标尺增长的有机材料。 导致增长的强制是在云母表面的电偶极域。 新近地被劈开的白云母云母表面安排 107 个 V/cm 和 p-6P 分子的一个表面偶极子场增长并行与此域的方向。

当照耀与紫外光 (360 毫微米) 针显示深刻的蓝色荧光在 425 毫微米,在表 8 (c) 能被看见。 对这些 nanofibres 的一将来的申请可能是使用他们如纳诺lightguides。

在 nanofibres 的图 8. 微细操作。 AFM 技巧用于抓 nanofibres 云母表面。 AFM 图象 (a) 高度和 (b) 高度有 25 ìm x 25 ìm 的扫描范围。 被抓的区有一范围 10 ìm x 10 ìm。 荧光图象 (c) 有 70 ìm x 70 ìm 的范围。

从 AFM 荧光显微法可以同时执行,可以使用的原地学习 nanofibres 和他们的光学性能的这些类型的光学和 AFM 想象。

如图 8. 所显示,这里 AFM 技巧用于抓从云母表面的区域的 nanofibres。 有一个相对地高弹簧常数的一个悬臂 (40 N/m) 使用了作为为这个范例的处理的一个工具。

所以一个动态想象模式 (集成电路模式) 为想象使用了在低强制,无需干扰纤维。 使用 100 nN,应用的强制仪器用于联系模式为处理。

准备在馏金的云母的 p-hexaphenyl 在这种情况下导致一个络的模式如图 9. 所显示,云母的严格的偶极子场由金盖子绝缘。 金子不陈列这样一个高表面偶极子场。 所以针形成在表面的一个网络并且平行不是对齐的线路。

在馏金的云母的图 9. 准备的 p-hexaphenyl nanofibres。 针形成一个络的结构。 图象范围 20 ìm x 20 ìm。 高度 () 和高度 (正确的) 图象。

聚合物想象

多苯乙烯PMMA 嵌段共聚物

第一个块共聚物其中综合在 20 世纪 50 年代。 他们在每个单个聚合物链子包含至少最小的二个不同 “块”,中坚由不同的单体组成。 他们的好处比较传统聚合物是他们改进的和可控制的物理属性。

二blockcopolymer 多苯乙烯块 polymethyl 异丁烯酸 (PSb PMMA) 的单体包括多苯乙烯 und PMMA 扁节链与 39,000 个 g/mol 分子量的。 对于 AFM 想象此范例在硅体的空转涂层进程中准备。 在高度图象在一个平面的表 10,位于的磁道 (宽度 10-15 毫微米,高度 1 毫微米) 明显地解决。 标尺平行位于,但是弯曲的线路,并且每把标尺可以是至长几个的测微表。

在这种情况下,包括 PMMA 的平面的磁道在多苯乙烯矩阵在。 在图 10 的阶段图象,在 PMMA 标尺 (黑色) 之间的对比和多苯乙烯矩阵 (绿色) 更加清楚解决。

图 10. PSb PMMA 嵌段共聚物。 图象范围 1 x 1 ìm。 高度 () 和阶段图象。

SBS 苯乙烯丁邻二烯苯乙烯 Triblock 共聚物

一个著名的三块共聚物是 SBS (苯乙烯丁邻二烯stryrene)。 SBS 属于组热塑性塑料的弹性体和由负离子聚化做。 在 SBS 案例,在所有苯乙烯单体起了反应后,一个从苯乙烯的负离子聚化开始,并且添加丁邻二烯。 开始这种回应导致一个带负电荷的离子。 这些回应解决方法也称 “居住的聚合物”,因为在环境请免于水,并且 protic 溶剂带负电荷的有机离子保持那里,在所有单体被聚合后。

图 11. (a) 非常简单的概要视图 SBS 嵌段共聚物分子。 (b) 多苯乙烯和聚丁二烯部分的化学结构。 从苯乙烯单体 (红色) 和丁邻二烯单体构成的部分 (蓝色) 被标记。

纯多苯乙烯是易碎和坚韧困难塑料,并且这产生 SBS 其耐久性。 聚丁二烯橡皮,并且这产生 SBS 其橡胶般属性并且防止多苯乙烯中断。 在这种回应时苯乙烯或丁邻二烯链子的长度可以单个被控制。 与一个短的软的丁邻二烯链子的共聚物是高度透明,发光和防撞击的。 这个聚合物为食物和化妆用品包装和收缩箔,那些与鞋子鞋底的更长的丁邻二烯链子和轮胎踩的使用。 使用的这个范例的分子量这里是 130,000 个 g/mol。

图 12。 SBS 块共聚物印象在集成电路模式下。 图象范围 1 ìm x 1 ìm。 左: 高度图象,权利: 阶段图象。 在阶段图象黑暗的区请对应于聚丁二烯,对多苯乙烯的明亮的区。

对 AFM 评定 SBS 在一个载体必须准备。 首先, SBS 在对 5% w/v 的一个最终解决方法的甲苯被溶化了。 一本玻璃盖清单支持的薄膜在空转涂料工 (1800 Rev./分钟) 准备。

SBS 真空焖火在温度的在 100 °C (190 上 °C 在这种情况下) 导致纳诺阶段分隔。 与 PSb PMMA 对比的 AFM 高度图象 (图 10),高度图象在表 12 陈列相对地平凡的表面,与坑 80 毫微米直径和 3 - 4 毫微米详细。 阶段图象陈列从 10-15 把毫微米宽黑暗的标尺的一个严格的对比在一个明亮的矩阵,标尺是 60 毫微米或长期。 对阶段图象的直方图分析在表 13 (a) 明显地解决二个种类。

在这种情况下这个范例是苯乙烯丰富的 SBS。 那些嵌段共聚物在多苯乙烯显示非混合的现象由于聚丁二烯的不溶性。 从传输电子显微学 (TEM)数据知道丁邻二烯在图 13 上形成六角被包装的磁道,埋置在苯乙烯矩阵,正如概要地被显示。 这意味着在图 12 的阶段图象,黑暗的区对应于聚丁二烯和明亮的区于多苯乙烯。

图 13。 (a) 值的直方图在图 12 的阶段图象的。 (b) 在苯乙烯丰富的 SBS 少数民族阶段 (聚丁二烯) 形成一个六角拥挤不堪磁道结构。

双轴针对的聚丙烯

象共聚物双轴导向聚丙烯 (BOPP,更新的缩写是 PP-BO) 也属于是公用的在日常使用的聚合物。 这个名字来自聚丙烯箔在二个方向被舒展的制造过程。 AFM 图象在表 14 显示一个象纤维的结构。 纤维不是完全地单独的和从左上部被安置到这个图象的右下端。 连接的纤维可以也是被看到的从左到右分布。

图 14。 双轴导向聚丙烯箔。 图象范围 800 毫微米 x 800 毫微米,高度范围 33 毫微米。 高度 () 和阶段 (正确的) 图象。

比较标准聚丙烯箔 PP-BO 有增加的透明度和光华,而且添加了更好的机械参数例如被添加的泪花和抓阻力以及高刚度、好低温阻力和不渗透性液体和气体的。 PP-BO 广泛分布,也为家庭使用 (袋子,箔)。 在一个方向只被舒展的Monoaxially 导向聚丙烯为黏着性箔是常用的。 从 10 年,增加号码国家(地区) (澳大利亚罗马尼亚和其他) 发表他们的钞票由 PP-BO 做成由于他们的选项的耐磨性和高数量添加安全特点。

球粒

有些细菌使用多hydroxybutyrate (PHB) 作为食物存贮分子。 通过更改这种原料他们可能也被迫生产名为的共聚物包含 ù 羟戊酸单体的 PHB-PHV 包括多 hydroxybutyrate 多hydroxyvalerate。

图 15。 化学式多hydroxybutyrate。 它在 ù 羟丁酸单体的缩聚回应被综合。

许多聚合物小于侧向维数倾向于沿链长折叠形成大平面的水晶,与厚度。 这些鳞片经常是被形成的互相平行的并且形成层状水晶页。 页可能也形成更大的排列,鳞片从聚合物球粒的中心近似辐形地增长。 在表显示的图象 16 显示中央部分一个这些球粒结构。

图 16。 高度图象 () 和阶段图象 (正确) 的在 PHB-PHV 影片的球粒结构。 图象范围 8 ìm x 8 ìm,高度范围 140 毫微米。

自磷的酸被装配的单层与长的烷基链子的

Octadecylphosphonic 酸 (OPA)是与 A.c. 的一个两性分子的分子 - 18 烷基链子和一个磷的酸组在一个末端 (图 17)。 它为 oxidic 金属表面使用 (钝化) 的修改。 在铝表面它担当腐蚀保护者,并且它为钛植入管表面的化工修改也使用了。

图 17。 Octadecylphosphonic 酸 (OPA), CH3(CH2)17PO3H2,分子量 334,5 g/mol。

准备在云母的 OPA 导致稳健自被汇编的单层。 对于 OPA 单层的准备在云母的, OPA 在对氨基苯甲酸二 (0.25 mM) 被溶化,并且这个解决方法分布在云母上新近地被劈开的页 (8 x 8 mm)。 OPA 允许为 10 s 吸附,然后这个超额解决方法去除与干燥氮气流。

图 18。 OPA 在云母准备导致单分子层。 扫描范围 2 x 2 ìm。 高度 (a),错误 (b) 和侧力 (c) 图象。

AFM 想象在联系模式非常软绵绵地执行与一个悬臂 (弹簧 constand 40 mN/m) 侧力模式的。 在与直径的高度图象小的来回小点在 100 毫微米范围明显地解决。 而且与直径的更大的曲线匾至 1 ìm 可以被观察。 在表显示的横断面 19 表明平均高度步骤是 2.3 毫微米。 对高度图象的直方图分析也显示此统一高度配电器。 匾的高度对应与一个唯一 OPA 分子的长度。

图 19。 (a) 横断面指示 OPA 单层的高度。 (b) 对 OPA 高度图象的直方图分析。 二个峰顶明显地解决。

在侧力图象在表 18 (c),匾指示相对地低侧向偏折和因而更低的摩擦比较在纯云母表面的摩擦。

在 OPA 找到的区更加明亮和更加黑暗的域的模式解决是无形的在垂直的偏折图象。

结论

在此报表我们存在了关于由烷、烷衍生商品、 aromates 和聚合物做的范例的基于 AFM 的研究。 关于范例表面属性的信息在测微表和毫微米范围能得到。 分子集合能被解决至唯一分子的长度。 分相现象能不仅根据单独纯表面属性也被学习。 在萤光范例的情况下我们与 AFM 顺利地结合了荧光显微法。

鸣谢

我们感谢 Fank Balzer,洪堡大学柏林巴拉hexaphenyl nanofibre 范例的德国,托马斯 Thurn 奥尔布雷克特,哈雷,德国大学教授博士, PSb PMMA 范例,博士 Heng Yong Nie,伦敦安大略加拿大 BOPP 箔的和 Mervyn Miles,布里斯托尔大学,英国教授,球粒范例的。

来源: JPK 仪器

关于此来源的更多信息请参观 JPK 仪器

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

Last Update: 13. June 2013 17:34

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