Полимерная кисть

Образец полимерной кисти

Полимерная щетка — это название поверхностного покрытия, состоящего из полимеров, прикрепленных к поверхности. Щетка может находиться либо в сольватированном состоянии, когда связанный полимерный слой состоит из полимера и растворителя, либо в расплавленном состоянии, когда связанные цепи полностью заполняют доступное пространство. Эти полимерные слои могут быть прикреплены к плоским подложкам, таким как кремниевые пластины, или сильно изогнутым подложкам, таким как наночастицы. Кроме того, полимеры могут быть связаны с высокой плотностью с другой одиночной полимерной цепью, хотя такое устройство обычно называют щеткой для бутылок . Кроме того, существует отдельный класс полиэлектролитных щеток, когда полимерные цепи сами несут электростатический заряд.

Кисти часто характеризуются высокой плотностью привитых цепей. Ограниченное пространство приводит к сильному растяжению цепей. Щетки можно использовать для стабилизации коллоидов , уменьшения трения между поверхностями и для обеспечения смазки искусственных суставов .

Полимерные щетки были смоделированы с помощью молекулярной динамики. методы Монте-Карло, броуновской динамики , Моделирование и молекулярные теории.

Структура

Молекула полимера внутри кисти. На рисунке видно, что удлинение цепи уменьшается от точки крепления и исчезает на свободном конце. «Капли», схематически изображенные в виде кругов, представляют собой (локальный) масштаб длины, на котором статистика цепочки меняется от трехмерного случайного блуждания (при меньших масштабах длины) к двумерному случайному блужданию в плоскости и одномерному нормальному направленному блужданию ( в больших масштабах длины).

Молекулы полимера внутри щетки оттягиваются от поверхности крепления в результате отталкивания друг друга (стерическое отталкивание или осмотическое давление). Точнее, они более вытянуты возле места крепления и не растянуты на свободном конце, как изображено на рисунке.

Точнее, в приближении Милнера, Виттена, Кейтса средняя плотность всех мономеров в данной цепи всегда одинакова с точностью до префактора:

$\phi (z,\rho )={\frac {\partial n}{\partial z}}$

$n(z,\rho )={\frac {2N}{\pi }}\arcsin \left({\frac {z}{\rho }}\right)$

где $\rho$ - высота конечного мономера и $N$ количество мономеров в цепи.

Профиль усредненной плотности $\epsilon (\rho )$ концевых мономеров всех присоединенных цепей, свернутых с указанным выше профилем плотности для одной цепи, определяет профиль плотности щетки в целом:

$\phi (z)=\int _{z}^{\infty }{\frac {\partial n(z,\rho )}{\partial z}}\,\epsilon (\rho )\,{\rm {d}}\rho$

имеет Сухая кисть однородную плотность мономера до некоторой высоты. $H$. Можно показать что соответствующий профиль плотности конечного мономера определяется выражением:

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

где $a$ – размер мономера.

Приведенный выше профиль плотности мономера $n(z,\rho )$ за одну цепочку минимизирует общую упругую энергию щетки,

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

независимо от профиля плотности конечного мономера $\epsilon (\rho )$, как показано на.

От сухой кисти к любой кисти

Как следствие, структуру любой кисти можно определить по профилю плотности кисти. $\phi (z)$. Действительно, распределение свободных концов — это просто свертка профиля плотности с распределением свободных концов сухой кисти:

$\epsilon (\rho )=\int _{\rho }^{\infty }-{\frac {{\rm {d}}\phi (H)}{{\rm {d}}H}}\epsilon _{\rm {dry}}(\rho ,H)$.

Соответственно, упругая свободная энергия щетки определяется выражением:

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

Этот метод был использован для определения смачивающих свойств расплавов полимеров на полимерных щетках того же вида. и понять тонкую асимметрию взаимопроникновения между ламелями сополимера. это может привести к очень необычным нецентросимметричным ламеллярным структурам .

Приложения

Полимерные щетки можно использовать при точечном нанесении. Зонально-селективное осаждение является многообещающим методом позиционного самовыравнивания материалов на поверхности с предварительно нанесенным рисунком.

См. также

• Дендронизированный полимер