Polymerbürste – Wikipedia

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EIN Polymerbürste ist die Bezeichnung für eine Oberflächenbeschichtung, die aus Polymeren besteht, die an eine Oberfläche gebunden sind.[1] Die Bürste kann sich entweder in einem solvatisierten Zustand befinden, in dem die angebundene Polymerschicht aus Polymer und Lösungsmittel besteht, oder in einem geschmolzenen Zustand, in dem die angebundenen Ketten den verfügbaren Raum vollständig ausfüllen. Diese Polymerschichten können an flache Substrate wie Siliziumwafer oder stark gekrümmte Substrate wie Nanopartikel angebunden werden. Polymere können auch in hoher Dichte an eine andere einzelne Polymerkette gebunden werden, obwohl diese Anordnung normalerweise als Flaschenbürste bezeichnet wird.[2] Darüber hinaus gibt es eine eigene Klasse von Polyelektrolytbürsten, bei denen die Polymerketten selbst eine elektrostatische Ladung tragen.

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Die Bürsten zeichnen sich oft durch die hohe Dichte der aufgepfropften Ketten aus. Der begrenzte Platz führt dann zu einer starken Verlängerung der Ketten. Bürsten können verwendet werden, um Kolloide zu stabilisieren, die Reibung zwischen Oberflächen zu reduzieren und künstliche Gelenke zu schmieren.[3]

Polymerbürsten wurden mit Molecular Dynamics modelliert,[2] Monte-Carlo-Methoden,[4]Brownsche Dynamiksimulationen,[5] und molekulare Theorien. [6]

Struktur[edit]

Polymermolekül in einer Bürste. Die Zeichnung zeigt, dass die Kettenlängung vom Befestigungspunkt aus abnimmt und am freien Ende verschwindet. Die als Kreise schematisierten “Blobs” stellen die (lokale) Längenskala dar, bei der sich die Statistik der Kette von einem 3D-Random Walk (bei kleineren Längenskalen) zu einem 2D-Random Walk in der Ebene und einem 1D-Normal-Directed-Walk ändert ( bei größeren Längenskalen).

Polymermoleküle innerhalb einer Bürste werden durch ihre gegenseitige Abstoßung (sterische Abstoßung oder osmotischer Druck) von der Befestigungsfläche weggestreckt. Etwas präziser,[7] sie sind in der Nähe des Befestigungspunktes länger und am freien Ende ungedehnt, wie in der Zeichnung dargestellt.

Genauer gesagt, innerhalb der Näherung von Milner, Witten, Cates,[7] die durchschnittliche Dichte aller Monomere in einer gegebenen Kette ist bis auf einen Vorfaktor immer gleich:

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φ(z,ρ)=∂n∂z{displaystyle phi(z,rho)={frac {partial n}{partial z}}}

n(z,ρ)=2nπArcsin⁡(zρ){displaystyle n(z,rho)={frac {2N}{pi}}arcsinleft({frac {z}{rho}}right)}

wo

ρ{displaystyle rho}

ist die Höhe des Endmonomers und

n{displaystyle N}

die Zahl der Monomere pro Kette.

Das gemittelte Dichteprofil

ε(ρ){displaystyle epsilon (rho)}

der Endmonomere aller angehängten Ketten, gefaltet mit dem obigen Dichteprofil für eine Kette, bestimmt das Dichteprofil der Bürste als Ganzes:

φ(z)=∫z∞∂n(z,ρ)∂zε(ρ)Dρ{displaystyle phi (z)=int _{z}^{infty }{frac {partial n(z,rho)}{partial z}},epsilon (rho), {rm{d}}rho}

EIN trockener Pinsel hat eine gleichmäßige Monomerdichte bis zu einer gewissen Höhe

h{displaystyle H}

. Kann man zeigen[8] dass das entsprechende Endmonomer-Dichteprofil gegeben ist durch:

εDRja(ρ,h)=ρ/hnein1−ρ2/h2{displaystyle epsilon _{rm {trocken}}(rho ,H)={frac {rho /H}{Na{sqrt {1-rho^{2}/H^{2}} }}}}

wo

ein{displaystyle a}

ist die Monomergröße.

Das obige Monomerdichteprofil

n(z,ρ){displaystyle n(z,rho)}

für eine einzelne Kette minimiert die gesamte elastische Energie der Bürste,

U=∫0∞ε(ρ)Dρ∫0nDnkT2nein2(∂z(n,ρ)∂n)2{displaystyle U=int_{0}^{infty}epsilon (rho),{rm {d}}rho,int _{0}^{N},{rm {d}}n,{frac {kT}{2Na^{2}}}left({frac {partial z(n,rho)}{partial n}}right)^{2 }}

unabhängig vom Endmonomer-Dichteprofil

ε(ρ){displaystyle epsilon (rho)}

, wie gezeigt in.[9][10]

Von einem trockenen Pinsel zu jedem Pinsel[edit]

Als Konsequenz,[10] Aus dem Bürstendichteprofil lässt sich die Struktur eines beliebigen Pinsels ableiten

φ(z){displaystyle phi(z)}

. Tatsächlich ist die Verteilung des freien Endes einfach eine Faltung des Dichteprofils mit der Verteilung des freien Endes einer trockenen Bürste:

ε(ρ)=∫ρ∞−Dφ(h)DhεDRja(ρ,h){displaystyle epsilon(rho)=int_{rho}^{infty}-{frac {{rm {d}}phi (H)}{{rm {d}}H} }epsilon _{rm {trocken}}(rho,H)}

.

Dementsprechend ist die bürstenelastische freie Energie gegeben durch:

FelkT=π224n2ein5∫0∞{−z3Dφ(z)Dz}Dz{displaystyle {frac {F_{rm {el}}}{kT}}={frac {pi^{2}}{24N^{2}a^{5}}}int _{0 }^{infty}left{-z^{3}{frac {{rm {d}}phi(z)}{{rm {d}}z}}right}{ rm {d}}z}

.

Diese Methode wurde verwendet, um die Benetzungseigenschaften von Polymerschmelzen auf Polymerbürsten der gleichen Art abzuleiten[10] und feine Asymmetrien der gegenseitigen Durchdringung zwischen Copolymerlamellen zu verstehen[11] die sehr ungewöhnliche nichtzentrosymmetrische lamellare Strukturen ergeben können.[12]

Anwendungen[edit]

Polymerbürsten können bei der flächenselektiven Abscheidung verwendet werden. [13] Die bereichsselektive Abscheidung ist eine vielversprechende Technik für die positionelle Selbstausrichtung von Materialien auf einer vorstrukturierten Oberfläche.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ Milner, ST (1991). “Polymerbürsten”. Wissenschaft. 251 (4996): 905–14. Bibcode:1991Sc…251..905M. mach:10.1126/science.251.4996.905. PMID 17847384.
  2. ^ ein B Chremos, A; Douglas, JF (2018). „Eine vergleichende Untersuchung der thermodynamischen, konformationellen und strukturellen Eigenschaften von Flaschenbürsten mit Stern- und Ringpolymerschmelzen“. J.Chem. Physik. 149 (4): 044904. Bibcode:2018JChPh.149d4904C. mach:10.1063/1.5034794. PMID 30068167.
  3. ^ Halperin, A.; Tirrell, M.; Lodge, TP (1992). „Angebundene Ketten in Polymermikrostrukturen“. Makromoleküle: Synthese, Ordnung und erweiterte Eigenschaften. Fortschritte in der Polymerwissenschaft. 100/1. S. 31–71. mach:10.1007/BFb0051635. ISBN 978-3-540-54490-6.
  4. ^ Laradji, Mohamed; Guo, Hong; Zuckermann, Martin (1994). „Off-Gitter-Monte-Carlo-Simulation von Polymerbürsten in guten Lösungsmitteln“. Physische Überprüfung E. 49 (4): 3199–3206. Bibcode:1994PhRvE..49.3199L. mach:10.1103/PhysRevE.49.3199. PMID 9961588.
  5. ^ Kaznessis, Yiannis N.; Hill, Davide A.; Maginn, Edward J. (1998). „Molekulardynamiksimulationen von Polar Polymerbürsten“. Makromoleküle. 31 (9): 3116–3129. Bibcode:1998MaMol..31.3116K. CiteSeerX 10.1.1.465.5479. mach:10.1021/ma9714934.
  6. ^ Szelifer, I; Carignano, MA (1996). Angebundene Polymerschichten. Erw. Chem.-Nr. Physik. XCIV. P. 165. doi:10.1002/9780470141533.ch3. ISBN 978-0-471-19143-8.
  7. ^ ein B Milner, S.T.; Witten, T.A.; Cates, M. E. (1988). „Ein parabolisches Dichteprofil für gepfropfte Polymere“. Europhysik-Briefe (EPL). 5 (5): 413–418. Bibcode:1988EL……5..413M. mach:10.1209/0295-5075/5/5/006.
  8. ^ Milner, S.T.; Witten, T.A.; Cates, M. E. (1989). „Auswirkungen der Polydispersität in der endgepfropften Polymerbürste“. Makromoleküle. 22 (2): 853–861. Bibcode:1989MaMol..22..853M. mach:10.1021/ma00192a057.
  9. ^ Zhulina, EB; Borisov, OV (Juli 1991). „Struktur und stabilisierende Eigenschaften von gepfropften Polymerschichten in einem Polymermedium“. Zeitschrift für Kolloid- und Grenzflächenwissenschaft. 144 (2): 507–520. Bibcode:1991JCIS..144..507Z. mach:10.1016/0021-9797(91)90416-6.
  10. ^ ein B C Gay, C. (1997). „Benetzung einer Polymerbürste durch eine chemisch identische Polymerschmelze“. Makromoleküle. 30 (19): 5939–5943. Bibcode:1997MaMol..30.5939G. mach:10.1021/ma970107f.
  11. ^ Leibler, L; Schwul, C; Erukhimovich, I (1999). „Bedingungen für die Existenz von nicht-zentrosymmetrischen lamellaren Copolymersystemen“. Europhysik-Briefe (EPL). 46 (4): 549–554. Bibcode:1999EL…..46..549L. mach:10.1209/epl/i1999-00277-9.
  12. ^ Goldacker, T; Abetz, V; Stadler, R; Erukhimovich, I; Leibler, L (1999). „Nicht-zentrosymmetrische Übergitter in Blockcopolymermischungen“. Natur. 398 (6723): 137. Bibcode:1999Natur.398..137G. mach:10.1038/18191.
  13. ^ Lundy, Ross; Yadav, Pravind; Selkirk, Andrew; Mullen, Eleanor; Ghoshal, Tandra; Cummins, Cian; Morris, Michael A. (2019-09-17). “Optimierung der Polymerbürstenbedeckung zur Entwicklung hochkohärenter Sub-5-nm-Oxidfilme durch Ioneneinschluss”. Chemie der Materialien. 31 (22): 9338–9345. mach:10.1021/acs.chemmater.9b02856. ISSN 0897-4756.

Weiterlesen[edit]

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