Thickness Gradient in Polymer Coating by Reactive Layer-by-Layer Assembly on Solid Substrate

Abstract

El estudio describe una metodología simple pero robusta para formar gradientes en recubrimientos de polímeros con precisión de espesor nanométrico. Los gradientes de espesor de 0-20 nm en el recubrimiento se obtienen mediante un ensamblaje reactivo capa por capa de poliéster y polietilenimina sobre sustratos de oro. Tres parámetros son importantes en la formación de gradientes de espesor: (i) el tiempo de incubación, (ii) la concentración de incubación de las soluciones de polímero y (iii) el ángulo de inclinación del sustrato de oro durante el proceso de inmersión. Después de examinar estos parámetros, se presenta en el manuscrito la caracterización de la superficie anisotrópica obtenida en las mejores condiciones. El perfil de espesor y la caracterización nanomecánica de los gradientes de polímero se caracterizan por microscopía de fuerza atómica. El análisis de rugosidad ha demostrado que el recubrimiento mostró una rugosidad decreciente al aumentar el espesor. Por otro lado, los módulos de Young de los recubrimientos delgados y gruesos son de 0,50 y 1,4 MPa, respectivamente, lo que aseguró un aumento de la estabilidad mecánica al aumentar el espesor del recubrimiento. La espectroscopía infrarroja dependiente del ángulo revela que los grupos éster C-O-C de los poliésteres exhiben una orientación perpendicular a la superficie, mientras que los grupos C≡C son paralelos a la superficie. Las propiedades superficiales de los gradientes de polímero se exploran mediante microscopía de fluorescencia, lo que demuestra que la intensidad de fluorescencia del tinte aumenta a medida que aumenta el espesor del recubrimiento. El beneficio significativo de la metodología sugerida es que promete el control del espesor de los gradientes en el recubrimiento como consecuencia de la cinética de reacción rápida entre las capas y el tiempo de reacción.L'étude décrit une méthodologie simple mais robuste pour former des gradients dans les revêtements polymères avec une précision d'épaisseur nanométrique. Les gradients d'épaisseur de 0-20 nm dans le revêtement sont obtenus par un assemblage réactif couche par couche de polyester et de polyéthylèneimine sur des substrats d'or. Trois paramètres sont importants dans la formation des gradients d'épaisseur : (i) le temps d'incubation, (ii) la concentration d'incubation des solutions de polymère, et (iii) l'angle d'inclinaison du substrat d'or pendant le processus d'immersion. Après examen de ces paramètres, la caractérisation de la surface anisotrope obtenue dans les meilleures conditions est présentée dans le manuscrit. Le profil d'épaisseur et la caractérisation nanomécanique des gradients polymères sont caractérisés par microscopie à force atomique. L'analyse de rugosité a démontré que le revêtement présentait une rugosité décroissante avec une épaisseur croissante. D'autre part, les modules de Young des revêtements minces et épais sont respectivement de 0,50 et 1,4 MPa, ce qui assure une augmentation de la stabilité mécanique avec l'augmentation de l'épaisseur du revêtement. La spectroscopie infrarouge dépendante de l'angle révèle que les groupes ester C-O-C des polyesters présentent une orientation perpendiculaire à la surface, tandis que les groupes C≡C sont parallèles à la surface. Les propriétés de surface des gradients de polymère sont explorées par microscopie à fluorescence, prouvant que l'intensité de fluorescence du colorant augmente à mesure que l'épaisseur du revêtement augmente. L'avantage significatif de la méthodologie suggérée est qu'elle promet un contrôle de l'épaisseur des gradients dans le revêtement en raison de la cinétique de réaction rapide entre les couches et du temps de réaction.The study describes a simple yet robust methodology for forming gradients in polymer coatings with nanometer-thickness precision. The thickness gradients of 0-20 nm in the coating are obtained by a reactive layer-by-layer assembly of polyester and polyethylenimine on gold substrates. Three parameters are important in forming thickness gradients: (i) the incubation time, (ii) the incubation concentration of the polymer solutions, and (iii) the tilt angle of the gold substrate during the dipping process. After examining these parameters, the characterization of the anisotropic surface obtained under the best conditions is presented in the manuscript. The thickness profile and nanomechanical characterization of the polymer gradients are characterized by atomic force microscopy. The roughness analysis has demonstrated that the coating exhibited decreasing roughness with increasing thickness. On the other hand, Young's moduli of the thin and thick coatings are 0.50 and 1.4 MPa, respectively, which assured an increase in mechanical stability with increasing coating thickness. Angle-dependent infrared spectroscopy reveals that the C-O-C ester groups of the polyesters exhibit a perpendicular orientation to the surface, while the C≡C groups are parallel to the surface. The surface properties of the polymer gradients are explored by fluorescence microscopy, proving that the dye's fluorescence intensity increases as the coating thickness increases. The significant benefit of the suggested methodology is that it promises thickness control of gradients in the coating as a consequence of the fast reaction kinetics between layers and the reaction time.تصف الدراسة منهجية بسيطة ولكنها قوية لتشكيل التدرجات في طلاء البوليمر بدقة سمك نانومتر. يتم الحصول على تدرجات السماكة من 0-20 نانومتر في الطلاء عن طريق تجميع متفاعل طبقة تلو الأخرى من البوليستر والبولي إيثيلين إيمين على ركائز الذهب. هناك ثلاثة معلمات مهمة في تشكيل تدرجات السماكة: (1) وقت الحضانة، (2) تركيز الحضانة لمحاليل البوليمر، و (3) زاوية ميل الركيزة الذهبية أثناء عملية الغمس. بعد فحص هذه المعلمات، يتم عرض توصيف السطح المتباين الخواص الذي تم الحصول عليه في أفضل الظروف في المخطوطة. يتميز قطاع السماكة والتوصيف الميكانيكي النانوي لتدرجات البوليمر بالفحص المجهري للقوة الذرية. أظهر تحليل الخشونة أن الطلاء أظهر خشونة متناقصة مع زيادة السماكة. من ناحية أخرى، تبلغ وحدات يونغ للطلاءات الرقيقة والسميكة 0.50 و 1.4 ميجا باسكال، على التوالي، مما يضمن زيادة الاستقرار الميكانيكي مع زيادة سمك الطلاء. يكشف التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء المعتمد على الزاوية أن مجموعات إستر C - O - C من البوليستر تظهر اتجاهًا عموديًا على السطح، في حين أن مجموعات C - C موازية للسطح. يتم استكشاف الخصائص السطحية لتدرجات البوليمر عن طريق الفحص المجهري الفلوري، مما يثبت أن شدة الفلورة للصبغة تزداد مع زيادة سمك الطلاء. تتمثل الفائدة الكبيرة للمنهجية المقترحة في أنها تعد بالتحكم في سمك التدرجات في الطلاء نتيجة لحركية التفاعل السريع بين الطبقات وزمن التفاعل.