想像有機化合物集合喜歡齊聚物,聚合物,并且使用掃描的烷衍生商品強制顯微學

包括的事宜

背景

掃描強制顯微學

為什麼是有聚合物研究的掃描強制顯微鏡有用的?

AFM 手段和範例

齊聚物想像

Hexacontane

p-Hexaphenyl (p-6P)

聚合物想像

多苯乙烯PMMA 嵌段共聚物

SBS 苯乙烯丁鄰二烯苯乙烯 Triblock 共聚物

雙軸針對的聚丙烯

球粒

自磷的酸被裝配的單層與長的烷基鏈子的

結論

鳴謝

背景

掃描強制顯微學 (SFM),亦稱基本強制顯微學 (AFM),是在一個純粹地機械想像進程基礎上的表面成像技術。 在其發展期間在過去 20 年期間它在 nanoscience 和納米技術方面成為一臺關鍵儀器。 在 AFM 一個非常鋒利的技巧附加懸臂被帶領進入非常與表面然後瀏覽的一行行的幾乎接近探查這個範例的表面紋理。

掃描強制顯微學

掃描強制顯微學允許不要求弄髒或塗上這個範例的原地評定像必要的在電子顯微鏡術技術。 根據範例參數,聯繫模式或動態模式 (即集成電路模式) 可以用於得到高分辨率圖像甚而在非常軟的範例。 在聯繫模式下這個技巧在非常在這個範例間的幾乎接近不斷地瀏覽。 通過使用一個振動的懸臂,在動態模式技巧範例交往可以減到最小。 另外,這個動態模式通過觀察階段信號提供關於範例參數的定性信息。

為什麼是有聚合物研究的掃描強制顯微鏡有用的?

AFM 達到更加高分辨率比較傳統顯微學技術例如光學顯微學 (LM)和共焦的激光掃描顯微鏡 (CLSM)。

電子顯微鏡術技術 (EM) 也是常用的在聚合物研究和 AFM 可以使用作為一個補充工具學習是太敏感的以至於不能學習與電子束的這樣聚合物準備。

AFM 範例準備是可比較容易,没有導電性塗層需要的,和任何範例弄髒。 範例可以被保留在四周情況,并且想像在液體或在有機溶液是可能的,也是。

交換液體在這個實驗期間也是可能的使用灌注液體細胞。 這個溫度可以是受控的在大範圍,通常在 0 个和 240 个 °C. 之間。

結合不同的成像技術節省時間并且導致更加可靠和更加有意義的科學結果。 在 AFM 想像期間,這個範例在反射光和透過光可以光學上被觀察。 提高透過光技術的所有現代對比如所提供由被倒置的光學顯微鏡可以與 AFM 一起使用,并且所有熒光顯微法技術 (共焦, CLSM, TIRF) 和偏光應用也是可用的。

AFM 手段和範例

在此條款顯示的所有圖像得到了與 JPK NanoWizard® AFM。 JPK 聚合物階段和 JPK LifeScience 階段根據應用和範例掛接使用了。 生命科學階段被掛接在 Axiovert 200 倒置光學顯微鏡的蔡司上。 用於想像的懸臂是從 NanoWorld、 Mikromasch 和 Appnanotech。

我們為此報表學習的範例是有機化合物,自然和綜合示例,例如烷、烷衍生商品和 aromates。 化合物是技術和學術利益。 在此報表學習的範例的分子量排列在 300 个和 130.000 g/mol 之間。

齊聚物想像

Hexacontane

圖 1. 化學式 hexacontane,兆瓦 843.62 g/mol。

Hexacontane 屬於烷。 它是與 60 個碳原子 (圖 1) 的一個飽和的和非分支的 C 鏈子。 a.c. 的長度 - C 不附條件的債券是下午154點, C-C-C 角度是 104°。 這種化合物的熔點在 94 和 96 个 °C. Hexacontane 之間是可溶解的在溫暖的二甲苯。 對於這個實驗 0.001 - 0.01 對 g/L 或 ~ 10-5 - 10-6 mol/L 的濃度是需要的。 此低濃度到達了與稀釋串聯。 2 hexacontane 毫克在 2 mL 被溶化了溫暖的二甲苯 (被加熱對 60 °C,沸點二甲苯 ~ 140 °C)。 30 此解決方法 ìL 用對 0.03 mg/mL 的濃度的 870 ìL 二甲苯稀釋了。 30 此解決方法 ìL 用 870 二甲苯 ìL 對 0.001 mg/mL 的結尾濃度的然後稀釋了。

自創空轉塗料工 (1800 Rev./分鐘) 為範例準備使用了。

在 HOPG 的圖 2. hexacontane 的準備的 AFM 圖像。

數據條表示 hexacontane 單分子層,緊挨著位於。 一數據條的寬度對應於 hexacontane 分子的長度。

部分新近地被劈開的 HOPG (高度被定購的高溫分解的石墨) 使用了作為範例基體。 被稀釋的解決方法的一下落下降了在這個基體上并且為 30 - 60 S. 空轉。 对一個機械上更加穩定的範例準備這個範例可以是激昂在熱化牌照上對 140 °C 大約 10 Min。 這個範例然後是印象的在與 NanoWorld® SSS (超級鋒利的硅) 技巧的動態模式下。 最佳的圖像在動態模式下 「軟綿綿地」得到了,意味調整點在這個自由高度附近的一相對地弱阻止高度。

比較二綠地在表 2 向顯示他們兩個陳列並行數據條的模式用不同的取向的。 在數據條之間的角度在二個域是 60°。 圖 3 在其中一個顯示更加高分辨率的圖像鑲邊域之內。 鱗片數據條的 7.5 毫微米寬度對應與一個延長的 hexacontane 分子的長度。

在 HOPG 的圖 3. Hexacontane,準備。 一 lamellum 有寬度的 7.5 毫微米。 (a) 圖像範圍 95 x 50 毫微米。 (b) 縮放,圖像範圍 30 x 30 毫微米

在表 4 一張簡圖顯示 hexacontane 分子的排列在層狀結構內的。 分子的側向自集合形成 AFM 看到的條紋圖形。

圖 4. hexacontane 分子自集合在 HOPG 導致與 7.5 毫微米寬度的層狀結構。

使用 AFM,更加高分辨率能也達到。 基本格子解決方法在某個水晶濃縮的問題範例的四周條件下達到例如 HOPG (高度被定購的高溫分解的石墨) 如圖 5. 所顯示,和雲母表面。

圖 5. 基本雲母表面的格子解決方法。 高度圖像。 圖像範圍 6.6 毫微米 x 6.6 毫微米, z 範圍 0.4 毫微米。 NanoWizard® AFM 在一個光學倒置顯微鏡被安裝了。

p-Hexaphenyl (p-6P)

用於此研究的這個有機化合物是 parahexaphenyl,能被看見如來自 bezene 結構。 這個被共軛的聚合物是多巴拉Hexaphenylene。 如圖 6. 所顯示,齊聚物 p-Hexaphenyl 包括六苯環一個線性鏈子。

圖 6. 化學結構 p-Hexaphenyl。 C36H26,分子量 458.60 g/mol。

範例準備在真空昇華進程中完成。 Hexaphenylene 分子在真空 (10-7 mbar) 被蒸發了在 330 °C 上的溫度在二不同表面、被劈開的雲母表面和餾金的雲母表面上。 在兩種情況下,激光一個集中的 Ar 離子之後加熱範例。

在雲母和金子這个 p-6P 形成 nanofibers。 根據 substrante,這種化合物的排列導致非常不同的纖維模式。 在雲母表面 p-6P 展覽針型綜合,如在圖 7. 中看到。

圖 7. p-Hexaphenyl nanofibres 在乾淨的雲母準備。 高度 () 和高度 (正確的) 圖像。 圖像範圍 25 ìm x 25 ìm。

高度和寬度配電器是相當統一的,與一個典型的高度大約 50-70 毫微米和一個典型的寬度的 350 毫微米。 他們的寬度可以按與高度的數百毫微米的順序幾十的一些十個毫微米和長度到幾數百微米。 針包括的面積對齊在同一個方向可能到達 1 cm2

在針之間,小的小點的一個巨大數目可以被觀察。 他們的密度在最近減少標尺。

他們包括標尺增長的有機材料。 導致增長的強制是在雲母表面的電偶極域。 新近地被劈開的白雲母雲母表面安排 107 个 V/cm 和 p-6P 分子的一個表面偶極子場增長並行與此域的方向。

當照耀與紫外光 (360 毫微米) 針顯示深刻的藍色熒光在 425 毫微米,在表 8 (c) 能被看見。 對這些 nanofibres 的一將來的申請可能是使用他們如納諾lightguides。

在 nanofibres 的圖 8. 微細操作。 AFM 技巧用於抓 nanofibres 雲母表面。 AFM 圖像 (a) 高度和 (b) 高度有 25 ìm x 25 ìm 的掃描範圍。 被抓的區有一範圍 10 ìm x 10 ìm。 熒光圖像 (c) 有 70 ìm x 70 ìm 的範圍。

從 AFM 熒光顯微法可以同時執行,可以使用的原地學習 nanofibres 和他們的光學性能的這些類型的光學和 AFM 想像。

如圖 8. 所顯示,這裡 AFM 技巧用於抓從雲母表面的區域的 nanofibres。 有一個相對地高彈簧常數的一個懸臂 (40 N/m) 使用了作為為這個範例的處理的一個工具。

所以一個動態想像模式 (集成電路模式) 為想像使用了在低強制,无需干擾纖維。 使用 100 nN,應用的強制儀器用於聯繫模式為處理。

準備在餾金的雲母的 p-hexaphenyl 在這種情況下導致一個絡的模式如圖 9. 所顯示,雲母的嚴格的偶極子場由金蓋子绝緣。 金子不陳列這樣一個高表面偶極子場。 所以針形成在表面的一個網絡并且平行不是對齊的線路。

在餾金的雲母的圖 9. 準備的 p-hexaphenyl nanofibres。 針形成一個絡的結構。 圖像範圍 20 ìm x 20 ìm。 高度 () 和高度 (正確的) 圖像。

聚合物想像

多苯乙烯PMMA 嵌段共聚物

第一個塊共聚物其中綜合在 20 世紀 50 年代。 他們在每個單個聚合物鏈子包含至少最小的二個不同 「塊」,中堅由不同的單體組成。 他們的好處比較傳統聚合物是他們改進的和可控制的物理屬性。

二blockcopolymer 多苯乙烯塊 polymethyl 異丁烯酸 (PSb PMMA) 的單體包括多苯乙烯 und PMMA 扁節鏈與 39,000 个 g/mol 分子量的。 對於 AFM 想像此範例在硅體的空轉塗層進程中準備。 在高度圖像在一個平面的表 10,位於的磁道 (寬度 10-15 毫微米,高度 1 毫微米) 明顯地解決。 標尺平行位於,但是彎曲的線路,并且每把標尺可以是至長幾個的測微表。

在這種情況下,包括 PMMA 的平面的磁道在多苯乙烯矩陣在。 在圖 10 的階段圖像,在 PMMA 標尺 (黑色) 之間的對比和多苯乙烯矩陣 (綠色) 更加清楚解決。

圖 10. PSb PMMA 嵌段共聚物。 圖像範圍 1 x 1 ìm。 高度 () 和階段圖像。

SBS 苯乙烯丁鄰二烯苯乙烯 Triblock 共聚物

一個著名的三塊共聚物是 SBS (苯乙烯丁鄰二烯stryrene)。 SBS 屬於組熱塑性塑料的彈性體和由負離子聚化做。 在 SBS 案例,在所有苯乙烯單體起了反應後,一个從苯乙烯的負離子聚化開始,并且添加丁鄰二烯。 開始這種回應導致一個帶負電荷的離子。 這些回應解決方法也稱 「居住的聚合物」,因為在環境请免於水,并且 protic 溶劑帶負電荷的有機離子保持那裡,在所有單體被聚合後。

圖 11. (a) 非常簡單的概要視圖 SBS 嵌段共聚物分子。 (b) 多苯乙烯和聚丁二烯部分的化學結構。 從苯乙烯單體 (紅色) 和丁鄰二烯單體構成的部分 (藍色) 被標記。

純多苯乙烯是易碎和堅韌困難塑料,并且這產生 SBS 其耐久性。 聚丁二烯橡皮,并且這產生 SBS 其橡膠般屬性并且防止多苯乙烯中斷。 在這種回應時苯乙烯或丁鄰二烯鏈子的長度可以單個被控制。 與一個短的軟的丁鄰二烯鏈子的共聚物是高度透明,發光和防撞擊的。 這個聚合物為食物和化妝用品包裝和收縮箔,那些與鞋子鞋底的更長的丁鄰二烯鏈子和輪胎踩的使用。 使用的這個範例的分子量這裡是 130,000 个 g/mol。

圖 12。 SBS 塊共聚物印象在集成電路模式下。 圖像範圍 1 ìm x 1 ìm。 左: 高度圖像,權利: 階段圖像。 在階段圖像黑暗的區请對應於聚丁二烯,對多苯乙烯的明亮的區。

对 AFM 評定 SBS 在一個載體必須準備。 首先, SBS 在對 5% w/v 的一個最終解決方法的甲苯被溶化了。 一本玻璃蓋清單支持的薄膜在空轉塗料工 (1800 Rev./分鐘) 準備。

SBS 真空燜火在溫度的在 100 °C (190 上 °C 在這種情況下) 導致納諾階段分隔。 與 PSb PMMA 對比的 AFM 高度圖像 (圖 10),高度圖像在表 12 陳列相對地平凡的表面,與坑 80 毫微米直徑和 3 - 4 毫微米詳細。 階段圖像陳列從 10-15 把毫微米寬黑暗的標尺的一個嚴格的對比在一個明亮的矩陣,標尺是 60 毫微米或長期。 對階段圖像的直方圖分析在表 13 (a) 明顯地解決二個種類。

在這種情況下這個範例是苯乙烯豐富的 SBS。 那些嵌段共聚物在多苯乙烯顯示非混合的現象由於聚丁二烯的不溶性。 從傳輸電子顯微學 (TEM)數據知道丁鄰二烯在圖 13 上形成六角被包裝的磁道,埋置在苯乙烯矩陣,正如概要地被顯示。 這意味著在圖 12 的階段圖像,黑暗的區對應於聚丁二烯和明亮的區於多苯乙烯。

圖 13。 (a) 值的直方圖在圖 12 的階段圖像的。 (b) 在苯乙烯豐富的 SBS 少數民族階段 (聚丁二烯) 形成一個六角擁擠不堪磁道結構。

雙軸針對的聚丙烯

像共聚物雙軸導向聚丙烯 (BOPP,更新的縮寫是 PP-BO) 也屬於是公用的在日常使用的聚合物。 這個名字來自聚丙烯箔在二個方向被舒展的製造過程。 AFM 圖像在表 14 顯示一個像纖維的結構。 纖維不是完全地單獨的和從左上部被安置到這個圖像的右下端。 連接的纖維可以也是被看到的從左到右分佈。

圖 14。 雙軸導向聚丙烯箔。 圖像範圍 800 毫微米 x 800 毫微米,高度範圍 33 毫微米。 高度 () 和階段 (正確的) 圖像。

比較標準聚丙烯箔 PP-BO 有增加的透明度和光華,而且添加了更好的機械參數例如被添加的淚花和抓阻力以及高剛度、好低溫阻力和不滲透性液體和氣體的。 PP-BO 廣泛分佈,也為家庭使用 (袋子,箔)。 在一個方向只被舒展的Monoaxially 導向聚丙烯為黏著性箔是常用的。 從 10 年,增加號碼國家(地區) (澳大利亞羅馬尼亞和其他) 發表他們的鈔票由 PP-BO 做成由於他們的選項的耐磨性和高數量添加安全特點。

球粒

有些細菌使用多hydroxybutyrate (PHB) 作為食物存貯分子。 通過更改這種原料他們可能也被迫生產名為的共聚物包含 ù 羥戊酸單體的 PHB-PHV 包括多 hydroxybutyrate 多hydroxyvalerate。

圖 15。 化學式多hydroxybutyrate。 它在 ù 羥丁酸單體的縮聚回應被綜合。

許多聚合物小於側向維數傾向於沿鏈長摺疊形成大平面的水晶,與厚度。 這些鱗片經常是被形成的互相平行的并且形成層狀水晶頁。 頁可能也形成更大的排列,鱗片從聚合物球粒的中心近似輻形地增長。 在表顯示的圖像 16 顯示中央部分一个這些球粒結構。

圖 16。 高度圖像 () 和階段圖像 (正確) 的在 PHB-PHV 影片的球粒結構。 圖像範圍 8 ìm x 8 ìm,高度範圍 140 毫微米。

自磷的酸被裝配的單層與長的烷基鏈子的

Octadecylphosphonic 酸 (OPA)是與 A.c. 的一個兩性分子的分子 - 18 烷基鏈子和一個磷的酸組在一個末端 (圖 17)。 它為 oxidic 金屬表面使用 (鈍化) 的修改。 在鋁表面它擔當腐蝕保護者,并且它為鈦植入管表面的化工修改也使用了。

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

準備在雲母的 OPA 導致穩健自被彙編的單層。 對於 OPA 單層的準備在雲母的, OPA 在對氨基苯甲酸二 (0.25 mM) 被溶化,并且這個解決方法分佈在雲母上新近地被劈開的頁 (8 x 8 mm)。 OPA 允許為 10 s 吸附,然後這個超額解決方法去除與乾燥氮氣流。

圖 18。 OPA 在雲母準備導致單分子層。 掃描範圍 2 x 2 ìm。 高度 (a),錯誤 (b) 和側力 (c) 圖像。

AFM 想像在聯繫模式非常軟綿綿地執行與一個懸臂 (彈簧 constand 40 mN/m) 側力模式的。 在與直徑的高度圖像小的來回小點在 100 毫微米範圍明顯地解決。 而且與直徑的更大的曲線匾至 1 ìm 可以被觀察。 在表顯示的橫斷面 19 表明平均高度步驟是 2.3 毫微米。 對高度圖像的直方圖分析也顯示此統一高度配電器。 匾的高度對應與一個唯一 OPA 分子的長度。

圖 19。 (a) 橫斷面指示 OPA 單層的高度。 (b) 對 OPA 高度圖像的直方圖分析。 二個峰頂明顯地解決。

在側力圖像在表 18 (c),匾指示相對地低側向偏折和因而更低的摩擦比較在純雲母表面的摩擦。

在 OPA 找到的區更加明亮和更加黑暗的域的模式解決是無形的在垂直的偏折圖像。

結論

在此報表我們存在了關於由烷、烷衍生商品、 aromates 和聚合物做的範例的基於 AFM 的研究。 關於範例表面屬性的信息在測微表和毫微米範圍能得到。 分子集合能被解決至唯一分子的長度。 分相現象能不僅根據單獨純表面屬性也被學習。 在螢光範例的情況下我們與 AFM 順利地結合了熒光顯微法。

鳴謝

我們感謝 Fank Balzer,洪堡大學柏林巴拉hexaphenyl nanofibre 範例的德國,托馬斯 Thurn 奧爾布雷克特,哈雷,德國大學教授博士, PSb PMMA 範例,博士 Heng Yong Nie,倫敦安大略加拿大 BOPP 箔的和 Mervyn Miles,布里斯托爾大學,英國教授,球粒範例的。

來源: JPK 儀器

關於此來源的更多信息请請參觀 JPK 儀器

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

Last Update: 13. June 2013 17:38

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