Wiley Analytical Science I 特氟龙表面上单个PTFE分子的高分辨率成像

2021-05-28 10:27:00, Park原子力显微镜 Park帕克原子力显微镜

纳

米

沙

龙

Park Journal

High-resolution imaging of single PTFE molecules on Teflon surface

Vladimir Korolkov, Park Systems UK Ltd.

MediCity, Nottingham, UK

特氟龙表面上单个PTFE分子的

高分辨率成像

聚合物材料的应用范围非常广泛，从胶束药物载体到防弹背心，无时无刻不影响着人类的生活，所以对聚合物的结构研究是至关重要的。微妙的分子结构为聚合物提供了各种独特的性能。因此，在现实空间里能够对聚合物分子结构进行成像具有非常重要的意义。而能够实现这种成像的唯一技术就是原子力显微镜（AFM）。

原子力显微镜发明于上世纪80年代。利用AFM对聚合物研究也经历了一段漫长的时间。Hobbs和Mullin的扭转轻敲技术、Proksch的双峰轻敲技术和Korolkov的高本征模成像技术都应用到其中。后一种技术与其他技术不同，不需要任何特殊的悬臂或定制的AFM组件。而研究中，此项技术是已经实现在了 Park Systems 商用AFM系列 NX20，可以在特氟龙的真实样品上实现分子分辨率的扫描。

聚四氟乙烯（PTFE），通常称为特氟龙（Teflon），是一种碳氟化合物固体，具有最低的摩擦系数。因此，作为材料它被广泛用作低粘附力或惰性涂层。尽管它的化学成分简单，但是通过电子衍射技术发现PTFE存在于四个不同的结晶相中。迄今为止还没有发表关于特氟隆的高分辨率原子力显微镜数据。

图1：特氟龙表面大范围的高度和轻敲相位图像。a.高度图像，512 x 512像素，扫描速率0.5Hz。b.与图像a同时获取的相位图像。c.512x512 像素的相位图像，扫描速率为4Hz。d.高分辨率相位图像，显示了512 x 512 像素的结晶区和非晶区，扫描速率为4 Hz。由Park Systems大样品AFM设备NX20所获取。

众所周知，聚四氟乙烯是半结晶聚合物的真实样品。图1显示了特氟龙表面的一组大尺寸图像。100 µm x 100 µm的图像（图1a和b）已经显示了两个不同的区域：20 µm的大区域和连接它们的绳状区域。仔细研究大区域和绳状区域，可以发现它们具有高度定向性。高分辨率相图（图1d）显示了主要的结晶区域，在聚合物表面上被较小的非晶区域隔开。如图1c和d所示，这些晶域呈现出平坦的阶梯。

在下面的高度和相位图像（图2）上，对这些平坦阶梯进行了更近的观察。100 nm x 100 nm 范围的高度图像（图2a）显示〜5Å台阶伴有清晰的边界。相应的相图（图2b和c）揭示了这些平坦阶梯的真正分子性质-单个分子可以在5.6Å的周期内清晰分辨。横截面（图2d）给出了阶梯的清晰周期性结构。根据该横截面，可以在最大宽度为3.5Å的全宽度处测量单条线的宽度。这确定了在此样品上获得的最大分辨率。当将观察到的5.6Å的周期与PTFE晶胞a = 5.66Å的报告衍射数据进行比较时，可以看出两者具有显著的一致性。

图2：显示单个PTFE分子的特氟龙表面的高分辨率AFM图像。a.–高度图像，512 x 512像素，扫描速率2Hz。b.–相位图像，512 x 512像素，扫描速率4Hz。c.–相位图像，512 x 512像素，扫描速率6Hz。所有图像均使用Multi75Al-G悬臂,利用第3种本征模式在1.1Mhz和1.15nm的Setpoint下采集。d. –横截轮廓曲线，说明了阶梯的周期性。由Park Systems大样品AFM设备NX20所获取。

总而言之，一种简单实用的方法已经被证明可以在 Park Systems大样品商用AFM设备NX20上使用标准悬臂在轻敲模式下进行高分辨率成像，从而实现特氟龙样品的分子分辨率。原子力显微镜（AFM）是一种表面敏感技术，它总是局限于表面最外层，能够精确地再现由体积平均技术得到的结果。从而证明原子力显微镜是研究聚合物分子结构的重要工具。事实上，原子力显微镜能够通过将光照射到聚四氟乙烯的非晶态区域来提供更多的结构信息，这是衍射技术不容易实现的。例如，相图（图2b）显示PTFE摩尔从有序结晶区域进一步延伸到聚合物的非晶形区域。原子力显微镜的高度局部化和高分辨率特性使它在研究真实空间中聚合物的结构方面处于特殊的地位。

Park NX20机台:

1. 用于故障分析和大型样品研究的领先纳米计量工具。

2. 将XY和Z扫描器分离，实现探针与样品间的真正非接触，避免形貌扫描过程中因探针磨损带来的图像失真。

3. 真正非接触模式可保证最佳探针寿命，高分辨率以及更好的保护样品。

Contact：

Vladimir Korolkov
Park Systems UK Ltd.
MediCity
Nottingham, UK
pse@parksystems.com
www.parksystems.com

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https://analyticalscience.wiley.com/do/10.1002/was.0004000110

References

[1] Binnig, G., Quate, C. F. & Gerber, C. Atomic Force Microscope. Phys. Rev. Lett. 56, 930–933 (1986).

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[3] Mullin, N. et al. “Torsional tapping” atomic force microscopy using T-shaped cantilevers. Appl. Phys. Lett. 94, 173109 (2009).

[4] Kocun, M., Labuda, A., Meinhold, W., Revenko, I. & Proksch, R. Fast, High Resolution, and Wide Modulus Range Nanomechanical Mapping with Bimodal Tapping Mode. ACS Nano 11, 10097–10105 (2017).

[5] Korolkov, V. et. al. Ultra-high resolution imaging of thin films and single strands of polythiophene using atomic force microscopy. Nat. Commun. 10, 1537 (2019).

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