Avances en espectroscopía infrarroja a nanoescala para explorar sistemas poliméricos multifásicos

Resumen

Este protocolo describe la aplicación de la microscopía de fuerza atómica y la espectroscopia infrarroja a nanoescala para evaluar el rendimiento de la espectroscopia infrarroja fototérmica a nanoescala en la caracterización de muestras multipoliméricas tridimensionales.

Resumen

Los sistemas poliméricos multifásicos abarcan dominios locales con dimensiones que pueden variar desde unas pocas decenas de nanómetros hasta varios micrómetros. Su composición se evalúa comúnmente mediante espectroscopía infrarroja, que proporciona una huella dactilar promedio de los diversos materiales contenidos en el volumen sondeado. Sin embargo, este enfoque no ofrece ningún detalle sobre la disposición de las fases en el material. Las regiones interfaciales entre dos fases poliméricas, a menudo en el rango de nanoescala, también son difíciles de acceder. La espectroscopia infrarroja fototérmica a nanoescala monitorea la respuesta local de los materiales excitados por la luz infrarroja con la sonda sensible de un microscopio de fuerza atómica (AFM). Si bien la técnica es adecuada para interrogar características pequeñas, como proteínas individuales en superficies de oro prístinas, la caracterización de materiales multicomponentes tridimensionales es más difícil de alcanzar. Esto se debe a un volumen relativamente grande de material que experimenta expansión fototérmica, definido por la focalización láser en la muestra y por las propiedades térmicas de los constituyentes poliméricos, en comparación con la región a nanoescala sondeada por la punta AFM. Utilizando una perla de poliestireno (PS) y una película de alcohol polivinílico (PVA), evaluamos la huella espacial de la espectroscopia infrarroja fototérmica a nanoescala para el análisis de superficies en función de la posición de PS en la película de PVA. Se investiga el efecto de la posición de la característica en las imágenes infrarrojas a nanoescala y se adquieren espectros. Se ofrecen algunas perspectivas sobre los futuros avances en el campo de la espectroscopia infrarroja fototérmica a nanoescala, considerando la caracterización de sistemas complejos con estructuras poliméricas embebidas.

Introducción

La microscopía de fuerza atómica (AFM) se ha vuelto esencial para obtener imágenes y caracterizar la morfología de una amplia variedad de muestras con resolución a nanoescala ^1,2,3. Al medir la deflexión de un voladizo AFM resultante de la interacción de la punta afilada con la superficie de la muestra, se han desarrollado protocolos de imágenes funcionales a nanoescala para mediciones locales de rigidez y adhesión punta-muestra ^4,5. Para el análisis de materia condensada blanda y polímeros, las mediciones de AFM que ....

Protocolo

1. Fabricación de una solución de alcohol polivinílico (PVA)

1. Mida el agua y los gránulos de polímero PVA (consulte la Tabla de materiales) para crear una solución de 10 ml con una proporción de PVA a agua del 20 % en peso.
2. Calentar el agua de la cristalería sobre una placa calefactora a 100 °C.
3. Coloque los gránulos de polímero PVA en el agua caliente. Inserte una barra agitadora magnética.
4. Reduzca el fuego a 80 °C y revuelva hasta que el PVA se disuelva por completo.
5. Cubra la parte superior de la cristalería para evitar la contaminación.
6. Una vez que esté completamente disuelt....

Discusión

El AFM combinado con la espectroscopia nanoIR puede proporcionar información química a nanoescala utilizando un voladizo en modo de contacto y una fuente de luz IR sintonizable pulsada. Los sistemas de modelos, como la incrustación de un absorbedor con dimensiones finitas en el volumen de un material polimérico, son importantes para mejorar la comprensión de los mecanismos de formación de imágenes y determinar el rendimiento de la herramienta. En el caso de la configuración PS/PVA que aquí se presenta, se llevó.......

Materiales

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