Film Langmuira – Blodgetta - Langmuir–Blodgett film

Film Langmuira składający się ze złożonych fosfolipidów w stanie skondensowanym w stanie ciekłym unoszący się na podfazie wody, zobrazowany za pomocą mikroskopu kątowego Brewstera.

Langmuira-Blodgett (LB) folii jest nanostrukturalnych układ utworzony przy Langmuira-lub folie jednowarstwowe Langmuira (LM) -są przenoszone z faz ciecz-gaz do stałych nośników w pionowy korytarz podpory poprzez monowarstwy. Folie LB mogą zawierać jedną lub więcej monowarstw materiału organicznego, osadzonych z powierzchni cieczy na ciele stałym przez zanurzenie (lub zanurzenie) stałego podłoża w cieczy (lub z niej). Monowarstwę adsorbuje się jednorodnie na każdym etapie zanurzania lub emersji, dzięki czemu można formować folie o bardzo dokładnej grubości. Ta grubość jest dokładna, ponieważ grubość każdej monowarstwy jest znana i dlatego można ją dodać, aby znaleźć całkowitą grubość folii Langmuira-Blodgetta.

Monowarstwy są montowane pionowo i zwykle składają się z cząsteczek amfifilowych (patrz Polaryzacja chemiczna ) z hydrofilową głową i hydrofobowym ogonem (na przykład: kwasy tłuszczowe ) lub obecnie powszechnie z nanocząstek .

Nazwy filmów Langmuira-Blodgetta pochodzą od Irvinga Langmuira i Katharine B. Blodgett , którzy wymyślili tę technikę podczas pracy w dziale badań i rozwoju w General Electric Co.

Tło historyczne

Postępy w odkryciu filmów LB i LM zaczęły się od Benjamina Franklina w 1773 r., Kiedy upuścił około łyżeczki oleju do stawu. Franklin zauważył, że fale uspokajały się niemal natychmiast i że uspokojenie fal rozciągało się na około pół akra . Franklin nie zdawał sobie sprawy, że ropa utworzyła monowarstwę na powierzchni stawu. Ponad sto lat później lord Rayleigh określił ilościowo to, co widział Benjamin Franklin . Wiedząc, że olej, kwas oleinowy , rozprowadził się równomiernie po wodzie, Rayleigh obliczył, że grubość warstwy wynosiła 1,6  nm , znając objętość kroplonego oleju i obszar pokrycia.

Agnes Pockels pokazała przy pomocy zlewu kuchennego, że obszar filmów można kontrolować za pomocą barier. Dodała, że ​​napięcie powierzchniowe zmienia się wraz z zanieczyszczeniem wody. Użyła różnych olejów, aby wywnioskować, że ciśnienie powierzchniowe nie zmieni się, dopóki obszar nie zostanie ograniczony do około 0,2 nm ² . Ta praca została pierwotnie napisana jako list do lorda Rayleigha, który następnie pomógł Agnes Pockels w publikacji w czasopiśmie Nature w 1891 roku.

Obraz Sarfus jednej monowarstwy Langmuira kwasu stearynowego (grubość = 2,4 nm).

Praca Agnes Pockels przygotowała grunt dla Irvinga Langmuira, który kontynuował pracę i potwierdził wyniki Pockelsa. Korzystając z pomysłu Pockelsa, opracował koryto Langmuira (lub Langmuira – Blodgetta ). Jego obserwacje wykazały, że długość łańcucha nie wpłynęła na obszar dotknięty chorobą, ponieważ cząsteczki organiczne były ułożone pionowo.

Przełom Langmuira nie nastąpił, dopóki nie zatrudnił Katherine Blodgett jako swojej asystentki. Blodgett początkowo poszła szukać pracy w General Electric ( GE ) u Langmuira podczas przerwy świątecznej na ostatnim roku studiów w Bryn Mawr College , gdzie uzyskała tytuł licencjata z fizyki . Langmuir poradził Blodgettowi, aby przed podjęciem pracy dla niego kontynuowała naukę. Następnie studiowała na University of Chicago, aby uzyskać tytuł magistra chemii . Po ukończeniu studiów magisterskich Langmuir zatrudnił ją jako swoją asystentkę. Jednak przełom w chemii powierzchni nastąpił po uzyskaniu stopnia doktora w 1926 roku na Uniwersytecie Cambridge .

Pracując dla GE, Langmuir i Blodgett odkryli, że po włożeniu stałej powierzchni do roztworu wodnego zawierającego cząsteczki organiczne, cząsteczki organiczne osadzą jednorodną monowarstwę na powierzchni. To jest proces osadzania filmu Langmuira-Blodgetta. Dzięki tej pracy w dziedzinie chemii powierzchni i przy pomocy Blodgetta Langmuir otrzymał Nagrodę Nobla w 1932 roku. Ponadto Blodgett użył folii Langmuira-Blodgett do stworzenia 99% przezroczystego szkła przeciwodblaskowego poprzez pokrycie szkła fluorowanymi związkami organicznymi, tworząc prosta powłoka antyrefleksyjna .

Wgląd fizyczny

Warstwy Langmuira powstają, gdy amfifilowe (środki powierzchniowo czynne) cząsteczki lub nanocząsteczki są rozprowadzane na wodzie na granicy faz powietrze-woda. Surfaktanty (lub środki powierzchniowo działające) to cząsteczki z hydrofobowymi „ogonami” i hydrofilowymi „główkami”. Gdy stężenie środka powierzchniowo czynnego jest mniejsze niż minimalne stężenie powierzchniowe zapadania i jest on całkowicie nierozpuszczalny w wodzie, cząsteczki środka powierzchniowo czynnego układają się, jak pokazano na rysunku 1 poniżej. Tendencję tę można wyjaśnić względami energii powierzchniowej. Ponieważ ogony są hydrofobowe, ich ekspozycja na powietrze jest korzystniejsza niż na wodę. Podobnie, ponieważ głowy są hydrofilowe, interakcja głowa-woda jest korzystniejsza niż interakcja powietrze-woda. Ogólnym efektem jest zmniejszenie energii powierzchniowej (lub równoważnie napięcia powierzchniowego wody).

Rysunek 1: Cząsteczki środka powierzchniowo czynnego rozmieszczone na granicy faz powietrze-woda

W przypadku bardzo małych stężeń, z dala od gęstości powierzchniowej zgodnej z zapadnięciem się monowarstwy (co prowadzi do powstania struktur wielowarstwowych), cząsteczki środka powierzchniowo czynnego wykonują losowy ruch na granicy faz woda-powietrze. Można sądzić, że ruch ten jest podobny do ruchu cząsteczek gazu doskonałego zamkniętych w pojemniku. Odpowiednie zmienne termodynamiczne dla układu środka powierzchniowo czynnego to ciśnienie powierzchniowe ( ), pole powierzchni (A) i liczba cząsteczek środka powierzchniowo czynnego (N). Ten system zachowuje się podobnie do gazu w zbiorniku. Gęstość cząsteczek środka powierzchniowo czynnego oraz ciśnienie powierzchniowe zwiększają się wraz ze zmniejszaniem pola powierzchni A („kompresja” „gazu”). Dalsze ściskanie cząsteczek środka powierzchniowo czynnego na powierzchni wykazuje zachowanie podobne do przemian fazowych. „Gaz” zostaje sprężony do postaci „cieczy” i ostatecznie w idealnie zamknięty upakowany układ cząsteczek środka powierzchniowo czynnego na powierzchni odpowiadający stanowi „stałemu”. Stan ciekły jest zwykle oddzielany w stanie rozprężonym i skondensowanym w cieczy. Wszystkie stany folii Langmuira są klasyfikowane zgodnie ze współczynnikiem kompresji folii, zdefiniowanym jako -A (d ( ) / dA), zwykle w odniesieniu do sprężystości w płaszczyźnie monowarstwy. ${\ displaystyle \ Pi}$${\ displaystyle \ Pi}$

Skondensowane filmy Langmuira (przy naciskach powierzchniowych zwykle wyższych niż 15 mN / m - zwykle 30 mN / m) można następnie przenieść na stałe podłoże w celu utworzenia wysoce zorganizowanych cienkowarstwowych powłok. Koryta Langmuira – Blodgetta

Oprócz folii LB ze środków powierzchniowo czynnych przedstawionych na rysunku 1, podobne monowarstwy można również wytwarzać z nieorganicznych nanocząstek.

Charakterystyka ciśnieniowo-obszarowa

Dodanie monowarstwy do powierzchni zmniejsza napięcie powierzchniowe , a ciśnienie powierzchniowe jest określone następującym równaniem: ${\ displaystyle \ Pi}$

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

gdzie jest równe napięciu powierzchniowemu wody i jest napięciem powierzchniowym spowodowanym monowarstwą. Ale zależność napięcia powierzchniowego od stężenia (podobna do izotermy Langmuira ) jest następująca: ${\ displaystyle \ gamma _ {0}}$${\ displaystyle \ gamma}$

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

A zatem,

${\ displaystyle \ Pi = RT \ Gamma}$

lub

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

Ostatnie równanie wskazuje na zależność podobną do prawa gazu doskonałego . Jednak zależność napięcia powierzchniowego od stężenia jest ważna tylko wtedy, gdy roztwory są rozcieńczone, a stężenia są niskie. Dlatego przy bardzo niskich stężeniach środka powierzchniowo czynnego cząsteczki zachowują się jak cząsteczki gazu doskonałego .

Eksperymentalnie ciśnienie powierzchniowe jest zwykle mierzone za pomocą płytki Wilhelmy'ego . Układ czujnika ciśnienia / równowagi elektrycznej wykrywa ciśnienie wywierane przez monowarstwę. Monitorowany jest również obszar po stronie bariery, po której znajduje się monowarstw.

Rysunek 2. Płytka Wilhelmy'ego

Prosty bilans sił na płycie prowadzi do następującego równania nacisku powierzchniowego:

${\ Displaystyle \ Pi = - \ Delta \ gamma = - \ lewo [{\ Frac {\ Delta F} {2 (t_ {p} + w_ {p})}} \ prawo] \ ok - {\ Frac {\ Delta F} {2w_ {p}}},}$

tylko kiedy . Tutaj i są wymiary płyty i jest różnica sił. Do płytki Wilhelmy'ego pomiar daje ciśnienie - izotermy w obszarze przejścia, które pokazują fazę podobne zachowanie folii LM, jak wspomniano wcześniej (patrz poniżej). W fazie gazowej występuje minimalny wzrost ciśnienia dla zmniejszenia powierzchni. Trwa to aż do wystąpienia pierwszego przejścia i proporcjonalnego wzrostu ciśnienia wraz ze zmniejszaniem się obszaru. Przenoszeniu się do obszaru litego towarzyszy kolejne ostre przejście do silniejszego nacisku zależnego od obszaru. Tendencja ta utrzymuje się do momentu, w którym cząsteczki są stosunkowo ciasno upakowane i mają bardzo mało miejsca na poruszanie się. Przykładania coraz większy nacisk w tym miejscu powoduje, że monowarstwy staje się niestabilny i zniszczenia struktury tworzące monowarstwę polylayer kierunku fazy powietrza. Ciśnienie powierzchniowe podczas zapadania się monowarstwy może pozostawać w przybliżeniu stałe (w procesie zbliżonym do stanu równowagi) lub może gwałtownie spaść (z równowagi - gdy ciśnienie powierzchniowe było nadmiernie zwiększone, ponieważ ściskanie boczne było zbyt szybkie dla przegrupowań monomolekularnych). ${\ Displaystyle w_ {p} \ gg t_ {p}}$${\ displaystyle \ ell _ {p}, w_ {p}}$${\ displaystyle t_ {p}}$${\ displaystyle \ Delta F}$

Rysunek 3. (i) Nacisk powierzchniowy - izotermy powierzchniowe. (ii) Konfiguracja molekularna w trzech regionach zaznaczonych na krzywej -A; (a) faza gazowa, (b) faza ciekła ekspandowana i (c) faza skondensowana. (Na podstawie Osvaldo N. Oliveira Jr., Brazilian Journal of Physics, tom 22, nr 2, czerwiec 1992) ${\ displaystyle \ Pi}$

Aplikacje

Przez lata proponowano wiele możliwych zastosowań dla folii LM i LB. Charakteryzują się wyjątkowo cienkimi warstwami i wysokim stopniem uporządkowania strukturalnego. Folie te mają różne właściwości optyczne, elektryczne i biologiczne, na które składają się określone związki organiczne. Związki organiczne mają zwykle bardziej pozytywne reakcje niż materiały nieorganiczne na czynniki zewnętrzne ( ciśnienie , temperatura lub zmiana gazu). Folie LM mogą służyć również jako modele dla połowy błony komórkowej.

• Folie LB składające się z nanocząstek mogą być używane na przykład do tworzenia funkcjonalnych powłok, wyrafinowanych powierzchni czujników i do powlekania płytek krzemowych.
• Folie LB mogą być stosowane jako warstwy pasywne w MIS (metal-izolator-półprzewodnik), które mają bardziej otwartą strukturę niż tlenek krzemu i umożliwiają skuteczniejsze przenikanie gazów do interfejsu.
• Folie LB można również stosować jako błony biologiczne . Cząsteczki lipidów z ugrupowaniem kwasu tłuszczowego o długich łańcuchach węglowych przyłączonych do grupy polarnej wzbudzają większe zainteresowanie, ponieważ są naturalnie dostosowane do metody produkcji filmu Langmuira. Ten typ błony biologicznej można wykorzystać do badania: sposobów działania leków , przepuszczalności biologicznie aktywnych cząsteczek oraz reakcji łańcuchowych układów biologicznych.
• Możliwe jest również zaproponowanie urządzeń polowych do obserwacji odpowiedzi immunologicznej i reakcji enzym-substrat poprzez zbieranie biologicznych cząsteczek, takich jak przeciwciała i enzymy w izolowaniu warstw LB.
• Szkło antyrefleksyjne można wytwarzać z kolejnymi warstwami fluorowanej folii organicznej.
• Glukozy czujnik biologiczny może być wykonany z poli (3-heksylu tiofen), jako folii Langmuira-Blodgett, który wyłapuje glukozo-tlenek i przenosi go do pokrytego indu - cyny - tlenku płyty szklanej.
• Materiały odporne na promieniowanie UV mogą być wykonane z folii z poli (N-alkilometakryloamidów) Langmuira – Blodgetta.
• Światło UV i przewodnictwo folii Langmuira-Blodgetta.
• Folie Langmuira-Blodgetta są z natury strukturami 2D i można je budować warstwa po warstwie, zanurzając hydrofobowe lub hydrofilowe podłoża w ciekłej podfazie.
• Wzór Langmuira-Blodgetta to nowy paradygmat tworzenia wzorów na dużych powierzchniach z elementami mezostrukturalnymi
• Niedawno wykazano, że Langmuir-Blodgett jest skuteczną techniką nawet do wytwarzania na dużą skalę ultracienkich warstw powstających dwuwymiarowych materiałów warstwowych .

Zobacz też

• Mikroskop kątowy Brewstera
• Korytko Langmuira – Blodgetta
• Liposomy
• Osadzanie nanocząstek
• Monowarstwy do samodzielnego montażu
• Talerz Wilhelmy

Bibliografia

Bibliografia