纳米级红外光谱探索多相聚合物体系的进展

摘要

该协议描述了原子力显微镜和纳米级红外光谱的应用，以评估光热纳米级红外光谱在三维多聚物样品表征中的性能。

摘要

多相聚合物系统包含局部域，其尺寸可以从几十纳米到几微米不等。它们的成分通常使用红外光谱法进行评估，红外光谱法提供了探测体积中所含各种材料的平均指纹。但是，这种方法没有提供有关材料中相位安排的任何细节。两种聚合物相之间的界面区域（通常在纳米级范围内）也难以进入。光热纳米级红外光谱通过原子力显微镜（AFM）的灵敏探针监测红外光激发的材料的局部响应。虽然该技术适用于研究小特征，例如原始金表面上的单个蛋白质，但三维多组分材料的表征更加难以捉摸。这是由于与AFM尖端探测的纳米级区域相比，发生光热膨胀的材料相对较大，由激光聚焦到样品上和聚合物成分的热特性定义。使用聚苯乙烯 （PS） 珠和聚乙烯醇 （PVA） 薄膜，我们评估了用于表面分析的光热纳米级红外光谱的空间足迹，作为 PS 在 PVA 薄膜中位置的函数。研究了特征位置对纳米级红外图像的影响，并获得了光谱。考虑到具有嵌入聚合物结构的复杂系统的表征，对光热纳米级红外光谱领域的未来进展提出了一些看法。

引言

原子力显微镜 （AFM） 对于以纳米级分辨率^1、2、3 对各种样品的形态进行成像和表征至关重要。通过测量针尖与样品表面相互作用导致的悬臂挠度，已经开发了用于局部刚度测量和针尖-样品粘附的纳米级功能成像协议^4,5。对于软凝聚态物质和聚合物分析，探索局部域的纳米力学和纳米化学性质的AFM测量备受追捧^6,7,8。在纳米级红外 （nanoIR） 光谱出现之前，对针尖进行了化学修饰，以评估 AFM 力曲线中不同域的存在，并推断针尖-样品相互作用的性质。例如，该方法用于揭示环己烷处理的聚苯乙烯嵌段聚（丙烯酸叔丁酯）嵌段共聚物薄膜表面聚（丙烯酸叔丁酯）嵌段共聚物薄膜表面的微结构域的转变，该薄膜在50nm以下的水平⁹。

红外 （IR） 光与 AFM 的结合对高分子科学领域产生了重大影响⁶.传统的红外光谱是研究聚合....

研究方案

1. 制作聚乙烯醇（PVA）溶液

1. 测量水和 PVA 聚合物颗粒（参见 材料表），以 20% PVA 与水的重量比制备 10 mL 溶液。
2. 在设置为100°C的热板上加热玻璃器皿中的水。
3. 将PVA聚合物颗粒放入热水中。插入磁力搅拌棒。
4. 将热量降低至80°C，搅拌至PVA完全溶解。
5. 盖住玻璃器皿的顶部以防止污染。
6. 完全溶解后，将 20% PVA 溶液放入适当的储存容器中，在室温下储存。

2. 制备PVA涂层硅（Si）晶圆

1. 将硅 （Si） 晶圆（见 材料表）切成 ~10 x 10 mm² 正方形。
2. 使用异丙醇清洁硅基板并使其干燥。
3. 将干净的硅晶圆放在旋涂机的卡盘上（参见 材料表）。
   1. 将大约 10 μL PVA 溶液滴注到 Si 衬底的中心。尽量避免气泡形成。
   2. 以每分钟 1,500 转 （rpm） 的速度旋转涂覆 30 秒，用均匀的 PVA 薄膜涂覆 Si 基板。
      注意：指定的液体体积和旋涂参数在基材表面形成一层均匀的 PVA，其厚度足以防止旋涂和下一步将 PS 珠....

讨论

AFM与nanoIR光谱相结合，可以使用接触模式的悬臂和脉冲可调谐红外光源提供纳米级化学信息。模型系统，例如在聚合物材料的体积中嵌入具有有限尺寸的吸收器，对于提高对图像形成机制的理解和确定工具的性能非常重要。在本文介绍的PS/PVA配置的情况下，进行了优化以获得位于PVA薄膜表面上方或下方的稳定PS珠。结果发现，从旋涂机上取下涂覆的Si基材后立即沉积PS微珠可产生更好的附着力。PVA?.......

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
10|0 2200 Golden Taklon Round	Zem
5357-8NM Tweezers	Pelco
Adhesive Tabs	Ted Pella	16079
AFM metal specimen disks	Ted Pella	16208
Binocular	AmScope
Cantilever for nanoIR measurements	AppNano		FORTGG
Cell culture dishes	Greiner bio-one GmbH
Desiccator
Floating optical table	Newport	RS 4000
Hotplate	VWR
Isopropanol
Kimwipes	KIMTECH
Magnetic stir bar
Microparticles based on polystyrene size: 5 µm	SIGMA-ALDRICH	79633
nanoIR2 microscope	Bruker		Contact mode NanoIR2
Nitrogen Tank	Airgas
Petri dishes	Greiner bio-one GmbH
Polyvinyl Alcohol	SIGMA-ALDRICH	363170	this polymer was only 87%-89% hydrolyzed, which explains the presence of residual C=O at 1730 cm-1
Quantum Cascade Laser	Daylight Solutions		1550-1800 cm-1 range
Silicon wafer	MEMC St. Peters	#901319343000
Spin coater	Oscilla