Charakterystyka cienkich filmów polimerowych metodą mikroskopii sił atomowych

Cienkie filmy polimerowe są materiałami, których wymiary sięgają do kilkudziesięciu nanometrów. W celu zbadania topografii i właściwości fizykochemicznych tych materiałów potrzebna jest, więc technologia, która umożliwia pomiar w skali nanometrycznej. Jedną z takich metod jest mikroskopia sił atomowych AFM. Polega ona na przemiataniu sondą nad powierzchnią próbki i wykorzystaniu sił oddziaływań międzyatomowych pomiędzy końcówką sondy a badanym materiałem. Trójwymiarowy obraz uzyskany techniką AFM charakteryzuje się wysoką rozdzielczością dochodzącą do 0,1 nm w płaszczyźnie pionowej. Szczotki polimerowe zbudowane są z długich łańcuchów polimerowych naszczepionych jednym końcem na jakieś podłoże. Niektóre szczotki polimerowe mogą wykazywać czułość na bodźce zewnętrzne. Szczotki z poli(metakrylanu N,N-dimetyloaminoetylu) (PDMAEMA) i poli(3-metakrylopirydyny) (P3MP) są przykładem warstw wrażliwych na zmiany pH. Charakteryzują się one obecnością w swoich grupach bocznych atomów azotu, które po przekroczeniu danego pKa ulegają intensywnej protonacji, co prowadzi do pęcznienia warstwy polimerowej. W niniejszej pracy licencjackiej zbadano wrażliwość na zmiany pH szczotek PDMAEMA i P3MP. Zmierzono grubości warstw polimerowych i współczynnik pęcznienia z zastosowaniem AFM. Oszacowano pKa szczotki P3MP, wykorzystując pomiar kątów zwilżania powierzchni, a także zbadano wpływ docisku dźwigni na otrzymaną grubość warstwy polimerowej. Pochylono się także nad wpływem siły jonowej roztworu na wartość pKa szczotki P3MP.

Thin polymer films are materials which dimensions reach several dozen nanometers. In order to study the topography and physicochemical properties of these materials, technology is needed that allows measurements on nanometer scale. Such a method is the atomic force microscopy. It relies on sweeping the probe over the sample surface and using interatomic interaction forces between tip and examined material. Three-dimensional image obtained by the AFM technique has a high resolution up to 0,1 nm in vertical plane. Polymer brushes are constructed of long polymer chains tethered by one end to interface. Some of polymer brushes may be sensitive to external stimuli. Poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate)) (PDMAEMA) and poly(3 methacrylpyridine) (P3MP) brushes are examples of pH sensitive layers. They are characterized by the presence of nitrogen atoms in their side groups, which are undergoing intense protonation after crossing a given pKa, leading to swelling of polymer layer. In this Bachelor thesis, the pH sensitivity of PDMAEMA and P3MP brushes was examined. Thicknesses of polymer films and swelling ratios were measured by means of AFM. The pKa of the P3MP brush was estimated by measuring the contact angles of surface, the influence of AFM cantilever pressure on thickness of swollen polymer brushes was examined as well. Moreover, the relationship between the ionic strength and pKa values of P3MP brush was investigated.