Szczotka polimerowa - Polymer brush

Przykładowa szczotka polimerowa

Szczotki polimer jest nazwą do powłoki powierzchniowej składającej się z polimerów na uwięzi z powierzchni. Szczotka może być w stanie solwatowanym, w którym uwiązana warstwa polimeru składa się z polimeru i rozpuszczalnika, lub w stanie stopionym, w którym uwiązane łańcuchy całkowicie wypełniają dostępną przestrzeń. Te warstwy polimeru można przywiązać do płaskich podłoży, takich jak płytki krzemowe, lub silnie zakrzywionych podłoży, takich jak nanocząstki. Ponadto polimery można wiązać w dużej gęstości z innym pojedynczym łańcuchem polimeru, chociaż ten układ jest zwykle nazywany szczotką do butelek . Dodatkowo istnieje odrębna klasa szczotek polielektrolitowych, w których same łańcuchy polimeru przenoszą ładunek elektrostatyczny.

Pędzle często charakteryzują się dużą gęstością łańcuchów szczepionych. Ograniczona przestrzeń prowadzi do silnego przedłużenia łańcuchów. Szczotki mogą służyć do stabilizacji koloidów , zmniejszania tarcia między powierzchniami oraz do smarowania sztucznych stawów .

Pędzle polimerowe modelowano za pomocą metod dynamiki molekularnej, metod Monte Carlo, symulacji dynamiki Browna i teorii molekularnych.

Struktura

Cząsteczka polimeru w pędzelku. Rysunek pokazuje wydłużenie łańcucha malejące od punktu mocowania i znikające na wolnym końcu. „Kropki”, przedstawione schematycznie jako okręgi, reprezentują (lokalną) skalę długości, w której statystyki łańcucha zmieniają się z błądzenia losowego 3D (przy mniejszych skalach długości) na spacer losowy 2D w płaszczyźnie i normalny spacer skierowany 1D ( przy większych skalach długości).

Cząsteczki polimeru znajdujące się w szczoteczce są odciągane od powierzchni mocowania w wyniku odpychania się (odpychanie steryczne lub ciśnienie osmotyczne). Dokładniej, są one bardziej wydłużone w pobliżu punktu mocowania i nierozciągnięte na wolnym końcu, jak pokazano na rysunku.

Dokładniej, w przybliżeniu wyprowadzonym przez Milnera, Wittena, Catesa, średnia gęstość wszystkich monomerów w danym łańcuchu jest zawsze taka sama aż do prefaktora:

${\ Displaystyle \ phi (z, \ rho) = {\ Frac {\ częściowe n} {\ częściowe z}}}$

${\ Displaystyle n (z, \ rho) = {\ Frac {2N} {\ pi}} \ arcsin \ lewo ({\ Frac {z} {\ rho}} \ prawej)}$

gdzie jest wysokość końcowego monomeru i liczba monomerów w łańcuchu. ${\ displaystyle \ rho}$${\ displaystyle N}$

Uśredniony profil gęstości końcowych monomerów wszystkich dołączonych łańcuchów, spleciony z powyższym profilem gęstości dla jednego łańcucha, określa profil gęstości szczotki jako całości: ${\ Displaystyle \ epsilon (\ rho)}$

${\ Displaystyle \ phi (z) = \ int _ {z} ^ {\ infty} {\ Frac {\ częściowe n (z, \ rho)} {\ częściowe z}} \, \ epsilon (\ rho) \, {\ rm {d}} \ rho}$

Suchej szczotki ma jednolitą gęstość monomeru do kilku wysokościach . Można wykazać, że odpowiedni profil gęstości końcowej monomeru jest określony wzorem: ${\ displaystyle H}$

${\ Displaystyle \ epsilon _ {\ rm {suchy}} (\ rho, H) = {\ Frac {\ rho / H} {Na {\ sqrt {1- \ rho ^ {2} / H ^ {2}} }}}}$

gdzie jest rozmiar monomeru. ${\ displaystyle a}$

Powyższy profil gęstości monomeru dla jednego łańcucha minimalizuje całkowitą energię sprężystości szczotki, ${\ Displaystyle n (z, \ rho)}$

${\ Displaystyle U = \ int _ {0} ^ {\ infty} \ epsilon (\ rho) \, {\ rm {d}} \ rho \, \ int _ {0} ^ {N} \, {\ rm {d}} n \, {\ frac {kT} {2Na ^ {2}}} \ left ({\ frac {\ częściowe z (n, \ rho)} {\ częściowe n}} \ right) ^ {2 }}$

niezależnie od końcowego profilu gęstości monomeru , jak pokazano na. ${\ Displaystyle \ epsilon (\ rho)}$

Od suchego pędzla do dowolnego pędzla

W konsekwencji strukturę każdego pędzla można wyprowadzić z profilu gęstości pędzla . Rzeczywiście, rozkład na wolnych końcach jest po prostu splotem profilu gęstości z rozkładem swobodnych końców suchej szczotki: ${\ Displaystyle \ phi (z)}$

${\ Displaystyle \ epsilon (\ rho) = \ int _ {\ rho} ^ {\ infty} - {\ Frac {{\ rm {d}} \ phi (H)} {{\ rm {d}} H} } \ epsilon _ {\ rm {na sucho}} (\ rho, H)}$ .

Odpowiednio, swobodna energia sprężysta szczotki jest oddawana przez:

${\ Displaystyle {\ Frac {F _ {\ rm {el}}} {kT}} = {\ Frac {\ pi ^ {2}} {24N ^ {2} a ^ {5}}} \ int _ {0 } ^ {\ infty} \ left \ {- z ^ {3} {\ frac {{\ rm {d}} \ phi (z)} {{\ rm {d}} z}} \ right \} {\ rm {d}} z}$ .

Metodę tę wykorzystano do określenia właściwości zwilżania stopionych polimerów na szczotkach polimerowych z tego samego gatunku i do zrozumienia drobnych asymetrii przenikania między lamelami kopolimeru, które mogą dawać bardzo nietypowe niecentrosymetryczne struktury lamelarne .

Aplikacje

Szczotki polimerowe mogą być używane do osadzania selektywnego powierzchniowego. Osadzanie selektywne względem obszaru jest obiecującą techniką pozycjonowania samoczynnego materiałów na wstępnie ukształtowanej powierzchni.

Zobacz też

• Polimer dendronizowany

Bibliografia

Dalsza lektura