Пленка Ленгмюра – Блоджетт

редактировать

Тип системы из нескольких монослоев

Пленка Ленгмюра, состоящая из сложных фосфолипидов в жидко-конденсированном состоянии, плавающих на водной субфазе, изображение получено с помощью углового микроскопа Брюстера.

A Пленка Ленгмюра – Блоджетт (LB) представляет собой наноструктурированную систему, образованную при переносе пленок Ленгмюра или монослоев Ленгмюра (LM) с поверхности раздела жидкость-газ на твердые подложки во время вертикального прохождение опоры через монослои. Пленки LB могут содержать один или несколько монослоев органического материала, нанесенных с поверхности жидкости на твердое тело путем погружения (или всплытия) твердой подложки в (или из) жидкости. Монослой гомогенно адсорбируется на каждой стадии погружения или всплывания, поэтому можно формировать пленки с очень точной толщиной. Эта толщина является точной, потому что толщина каждого монослоя известна и поэтому может быть добавлена, чтобы найти общую толщину пленки Ленгмюра – Блоджетт.

Монослои собраны вертикально и обычно состоят из амфифильных молекул (см. Химическая полярность ) с гидрофильной головкой и гидрофобным хвостом. (пример: жирные кислоты ) или в настоящее время обычно наночастиц.

пленки Ленгмюра-Блоджетт названы в честь Ирвинга Ленгмюра и Кэтрин Б. Блоджетт, кто изобрел эту технику, работая в отделе исследований и разработок для General Electric Co.

Содержание

1 Историческая справка
2 Физические данные
3 Характеристики давления и площади
4 Применения
5 См. Также
6 Ссылки
7 Библиография

Историческая справка

Успехи в открытии фильмов LB и LM начались с Бенджамина Франклина в 1773 году, когда он упал около ложку масла на пруд. Франклин заметил, что волны успокаиваются почти мгновенно и что успокаивание волн распространяется примерно на половину акра. Франклин не осознавал, что нефть образовала монослой на поверхности пруда. Более века спустя лорд Рэлей дал количественную оценку тому, что видел Бенджамин Франклин. Зная, что масло, олеиновая кислота, равномерно распределилось по воде, Рэлей рассчитал, что толщина пленки составляет 1,6 нм, зная объем капли масла и площадь покрытия..

С помощью кухонной раковины Агнес Покельс показала, что площадь пленки можно контролировать с помощью барьеров. Она добавила, что поверхностное натяжение зависит от загрязнения воды. Она использовала разные масла, чтобы сделать вывод, что поверхностное давление не изменится, пока площадь не будет ограничена примерно 0,2 нм. Изначально эта работа была написана как письмо лорду Рэли, который затем помог Агнес Поккельс опубликовать в журнале Nature в 1891 году.

Сарфус изображение некоего Ленгмюра. монослой стеариновой кислоты (толщина = 2,4 нм).

Работа Агнес Поккельс подготовила почву для Ирвинга Ленгмюра, который продолжил работу и подтвердил результаты Поккельса. Используя идею Поккельса, он разработал желоб Ленгмюра (или Ленгмюра – Блоджетт ). Его наблюдения показали, что длина цепи не влияет на пораженную область, поскольку органические молекулы расположены вертикально.

Прорыв Ленгмюра произошел только после того, как он нанял Кэтрин Блоджетт в качестве своего помощника. Изначально Блоджетт отправилась искать работу в General Electric (GE ) вместе с Ленгмюром во время ее рождественских перерывов в выпускном курсе Bryn Mawr College, где она получила степень бакалавра наук. в Физике. Ленгмюр посоветовал Блоджетт продолжить учебу, прежде чем работать на него. После этого она поступила в Чикагский университет и получила степень магистра в области химии. Когда она получила степень Учителя, Ленгмюр нанял ее в качестве своей помощницы. Однако прорывы в химии поверхности произошли после того, как она получила степень доктора в 1926 году в Кембриджском университете.

Работая в GE, Ленгмюр и Блоджетт обнаружили, что когда твердая поверхность помещается в водный раствор, содержащие органические фрагменты, органические молекулы будут равномерно осаждать монослой по поверхности. Это процесс осаждения пленки Ленгмюра – Блоджетт. За эту работу в области химии поверхности и с помощью Блоджетт Ленгмюру была присуждена Нобелевская премия в 1932 году. Кроме того, Блоджетт использовал пленку Ленгмюра-Блоджетт для создания 99% прозрачной анти- отражающее стекло путем покрытия стекла фторированными органическими соединениями, образуя простое антибликовое покрытие.

Physical Insight

Пленки Ленгмюра образуются, когда амфифильные молекулы (поверхностно-активные вещества) или наночастицы распространяются по воздуху с граница раздела воздух – вода. Поверхностно-активные вещества (или вещества поверхностного действия) представляют собой молекулы с гидрофобными «хвостами» и гидрофильными «головками». Когда концентрация поверхностно-активного вещества меньше минимальной поверхностной концентрации разрушения и оно полностью нерастворимо в воде, молекулы поверхностно-активного вещества располагаются, как показано на рисунке 1 ниже. Эту тенденцию можно объяснить соображениями поверхностной энергии. Поскольку хвосты гидрофобны, их воздействие на воздух предпочтительнее, чем на воде. Точно так же, поскольку головки гидрофильны, взаимодействие напора с водой более благоприятно, чем взаимодействие воздуха с водой. Общий эффект - уменьшение поверхностной энергии (или, что эквивалентно, поверхностного натяжения воды).

. Рис. 1: Молекулы поверхностно-активного вещества, расположенные на границе раздела воздух-вода

Для очень малых концентраций, вдали от поверхностной плотности, совместимой с коллапсом монослоя (что приводит к многослойным структурам), поверхностно-активное вещество Молекулы совершают случайное движение на границе раздела вода – воздух. Это движение можно представить как движение молекул идеального газа, заключенных в контейнер. Соответствующие термодинамические переменные для системы поверхностно-активных веществ: давление на поверхности ( $Π {\ displaystyle \ Pi}$ $\ Pi$ ), площадь поверхности (A) и число молекул поверхностно-активного вещества (N). Эта система ведет себя аналогично газу в баллоне. Плотность молекул поверхностно-активного вещества, а также поверхностное давление увеличиваются при уменьшении площади поверхности A («сжатие» «газа»). Дальнейшее сжатие молекул ПАВ на поверхности проявляет поведение, подобное фазовым переходам. «Газ» сжимается в «жидкость» и, в конечном итоге, в идеально замкнутый упакованный массив молекул поверхностно-активного вещества на поверхности, соответствующий «твердому» состоянию. Жидкое состояние обычно разделяют на расширенное и конденсированное состояния. Все состояния пленки Ленгмюра классифицируются в соответствии с коэффициентом сжатия пленок, определяемым как -A (d ( $Π {\ displaystyle \ Pi}$ $\ Pi$ ) / dA), обычно относящимся к in- плоская упругость монослоя.

Конденсированные пленки Ленгмюра (при поверхностном давлении обычно выше 15 мН / м - обычно 30 мН / м) могут быть впоследствии перенесены на твердую подложку для создания высокоорганизованных тонкопленочных покрытий. Желоба Ленгмюра – Блоджетт

Помимо пленки LB из поверхностно-активных веществ, изображенных на рисунке 1, аналогичные монослои также могут быть сделаны из неорганических наночастиц.

Характеристики площади давления

Добавление однослой на поверхность уменьшает поверхностное натяжение, а поверхностное давление, $Π {\ displaystyle \ Pi}$ $\ Pi$ , определяется следующим уравнением:

Π знак равно γ 0 - γ {\ displaystyle \ Pi = \ gamma _ {0} - \ gamma}

{\ displaystyle \ Pi = \ gamma _ {0} - \ gamma}

где $γ 0 {\ displaystyle \ gamma _ {0}}$ $\ gamma _ {0}$ равно Поверхностное натяжение воды и $γ {\ displaystyle \ gamma}$ $\ gamma$ представляет собой поверхностное натяжение, обусловленное монослоем. Но концентрационная зависимость поверхностного натяжения (аналогично изотерме Ленгмюра ) выглядит следующим образом:

γ 0 - γ = RTKHC = - RT Γ {\ displaystyle \ gamma _ {0} - \ gamma = RTK_ {H} C = -RT \ Gamma}

{\ displaystyle \ gamma _ {0} - \ gamma = RTK_ {H} C = -RT \ Gamma}

Таким образом,

Π = RT Γ {\ displaystyle \ Pi = RT \ Gamma}

\ Pi = RT \ Gamma

или

Π A = RT. {\ displaystyle \ Pi A = RT.}

\ Pi A = RT.

Последнее уравнение указывает на взаимосвязь, аналогичную закону идеального газа. Однако концентрационная зависимость поверхностного натяжения действительна только для разбавленных растворов и низких концентраций. Следовательно, при очень низких концентрациях поверхностно-активного вещества молекулы ведут себя как молекулы идеального газа.

Экспериментально поверхностное давление обычно измеряют с помощью пластины Вильгельми. Устройство датчика давления / электробаланса определяет давление, оказываемое монослоем. Также контролируется область сбоку от барьера, на которой расположен монослой.

. Рис. 2. Пластина Вильгельми

Простой баланс сил на пластине приводит к следующему уравнению для поверхностного давления:

Π = - Δ γ = - [Δ F 2 (tp + wp)] ≈ - Δ F 2 wp, {\ displaystyle \ Pi = - \ Delta \ gamma = - \ left [{\ frac {\ Delta F} {2 (t_ {p} + w_ {p})}} \ right ] \ приблизительно - {\ frac {\ Delta F} {2w_ {p}}},}

{\ displaystyle \ Pi = - \ Delta \ gamma = - \ left [{ \ frac {\ Delta F} {2 (t_ {p} + w_ {p})}} \ right] \ приблизительно - {\ frac {\ Delta F} {2w_ {p}}},}

только когда $wp ≫ tp {\ displaystyle w_ {p} \ gg t_ {p}}$ ${\ displaystyle w_ {p} \ gg t_ {p}}$ . Здесь $ℓ p, wp {\ displaystyle \ ell _ {p}, w_ {p}}$ ${\ displaystyle \ ell _ {p}, w_ {p}}$ и $tp {\ displaystyle t_ {p}}$ $t_ {p}$ являются размеры пластины, а $Δ F {\ displaystyle \ Delta F}$ $\ Delta F$ - разность сил. Измерения пластины Вильгельми дают изотермы площади давления и площади, которые показывают поведение пленок LM, подобное фазовому переходу, как упоминалось ранее (см. Рисунок ниже). В газовой фазе есть минимальное повышение давления для уменьшения площади. Это продолжается до тех пор, пока не произойдет первый переход и не произойдет пропорциональное увеличение давления с уменьшением площади. Переход в твердую область сопровождается еще одним резким переходом к более сильному давлению, зависящему от площади. Эта тенденция продолжается до точки, когда молекулы относительно плотно упакованы и имеют очень мало места для движения. Приложение возрастающего давления в этой точке приводит к тому, что монослой становится нестабильным и разрушает монослой, формируя многослойные структуры по направлению к воздушной фазе. Поверхностное давление во время коллапса монослоя может оставаться приблизительно постоянным (в процессе, близком к равновесию) или может резко снижаться (выходить из равновесия - когда поверхностное давление было чрезмерно увеличено, потому что латеральное сжатие было слишком быстрым для мономолекулярных перегруппировок).

. Рис. 3. (i) Давление на поверхности - изотермы площади. (ii) молекулярная конфигурация в трех областях, отмеченных кривой

Π {\ displaystyle \ Pi}

\ Pi

-A; (а) газовая фаза, (б) жидкая расширенная фаза и (в) конденсированная фаза. (По материалам Освальдо Н. Оливейры-младшего, Brazilian Journal of Physics, том 22, № 2, июнь 1992 г.)

Приложения

На протяжении многих лет предлагалось множество возможных приложений для LM и LB фильмы. Их характеристики - чрезвычайно тонкие пленки и высокая степень структурной упорядоченности. Эти пленки обладают различными оптическими, электрическими и биологическими свойствами, которые состоят из определенных органических соединений. Органические соединения обычно имеют более положительные отклики, чем неорганические материалы, на внешние факторы (давление, температура или изменение газа). Пленки LM могут использоваться также как модели для половин клеточной мембраны.

Пленки LB, состоящие из наночастиц, могут использоваться, например, для создания функциональных покрытий, сложных поверхностей датчиков и для покрытия кремниевых пластин.
Пленки LB могут использоваться в качестве пассивных слоев в (металл-диэлектрик-полупроводник), который имеют более открытую структуру, чем оксид кремния, и они позволяют газам проникать к границе раздела более эффективно.
Пленки LB также могут использоваться в качестве биологических мембран. Молекулы липидов с фрагментом жирной кислоты в виде длинных углеродных цепей, присоединенным к полярной группе, привлекли к себе повышенное внимание, поскольку они естественно подходят для метода производства пленок Ленгмюра. Этот тип биологической мембраны может быть использован для исследования: режимов действия лекарства, проницаемости биологически активных молекул и цепных реакций биологических систем.
Также возможно предложить устройства с полевым эффектом для наблюдения иммунологического ответа и реакций фермент-субстрат путем сбора биологических молекул, таких как антитела и ферменты, в изолирующие LB-пленки.
Можно производить антибликовое стекло с последовательными слоями фторированной органической пленки.
глюкоза биосенсор может быть изготовлен из поли (3-гексилтиопена) в виде пленки Ленгмюра-Блоджетт, которая захватывает оксид глюкозы и переносит на стеклянную пластину из индия - олова - оксида с покрытием.
УФ-резисторы могут быть изготовлены из поли (N-алкилметакриламидов) Ленгмюра– Пленка Блоджетт.
УФ-свет и проводимость пленки Ленгмюра – Блоджетт.
Пленки Ленгмюра – Блоджетт по своей сути являются 2D-структурами и могут быть построены послойно слоя, погружая гидрофобные или гидрофильные субстраты в жидкую субфазу.
Создание рисунка Ленгмюра-Блоджетт - это новая парадигма формирования рисунка большой площади с мезоструктурированными элементами
Недавно было продемонстрировано, что Ленгмюра – Блоджетт - эффективный метод даже для получения ультратонких пленок из возникающих двумерных слоистых материалов в больших масштабах.

См. Также

Ссылки

Библиография