Вана Langmuir blogett с двойна преграда. Технология на Langmuir-Blodgett

Въведение

Langmuir-Blodgett заснема принципно нов обект съвременна физика, и всяко от свойствата им е необичайно. Дори простите филми, съставени от идентични монослоеве, имат редица уникални характеристики, да не говорим за специално конструирани молекулярни сглобки. Филмите на Langmuir-Blodgett намират разнообразие от практическа употребав различни области на науката и технологиите: в електрониката, оптиката, приложната химия, микромеханиката, биологията, медицината и др. Лангмюровите монослоеве се използват успешно като моделни обекти за изследване на физичните свойства на подредени двумерни структури. Методът на Langmuir-Blodgett позволява съвсем просто да се променят повърхностните свойства на монослоя и да се образуват висококачествени филмови покрития. Всичко това е възможно благодарение на прецизния контрол на дебелината на получения филм, равномерността на покритието, ниската грапавост и високата, ако са избрани правилните условия, адхезия на филма към повърхността. Свойствата на филмите също могат лесно да се променят чрез промяна на структурата на полярната глава на амфифилната молекула, състава на монослоя, както и условията на разделяне - състава на подфазата и повърхностното налягане. Методът на Langmuir-Blodgett позволява вграждането на различни молекули и молекулярни комплекси, включително биологично активни, в монослой.

1. Историята на откриването на филма на Лангмюър

Тази история започва с едно от многото хобита на Бенджамин Франклин, изтъкнат американски учен и уважаван дипломат. Докато през 1774 г. в Европа, където урежда друг конфликт между Англия и северноамериканските щати, Франклин в свободно времеекспериментира с маслени филми на повърхността на водата. Ученият бил доста изненадан, когато се оказало, че само една лъжица масло се разстила по повърхността на езерце с площ от половин акър (1 акър? 4000 м2). Ако изчислим дебелината на образувания филм, се оказва, че тя не надвишава десет нанометра (1 nm = 10-7 cm); с други думи, филмът съдържа само един слой молекули. Този факт обаче се осъзнава едва 100 години по-късно. Любознателна англичанка на име Агнес Покелс, в собствената си вана, започна да измерва повърхностно напрежениевода, замърсена с органични примеси, или, просто казано, сапун. Оказа се, че непрекъснатият сапунен филм значително намалява повърхностното напрежение (припомнете си, че това е енергията на повърхностния слой на единица площ). Покълс пише за нейните експерименти на известния английски физик и математик лорд Рейли, който изпраща писмо до реномирано списание със своите коментари. Тогава самият Рейли възпроизвежда експериментите на Покелс и стига до следното заключение: „Наблюдаваните явления надхвърлят теорията на Лаплас и тяхното обяснение изисква молекулярен подход“. С други думи, сравнително прости - феноменологични - съображения се оказаха недостатъчни, беше необходимо да се включат идеи за молекулярната структура на материята, тогава далеч от очевидни и не общоприети. Скоро на научната сцена се появява американският учен и инженер Ървинг Лангмюър (1881…1957). Всичко това научна биографияопровергава добре познатата „дефиниция”, според която „физик е този, който разбира всичко, но не знае нищо; химикът, напротив, знае всичко и нищо не разбира, докато физикохимикът не знае и не разбира. Лангмюър е награден Нобелова наградаименно за тяхната работа върху физическа химия, забележителни със своята простота и замисленост. В допълнение към класическите резултати, получени от Langmuir в областта на термионната емисия, вакуумната технология и абсорбцията, той разработи много нови експериментални методи, които потвърдиха мономолекулната природа на повърхностните филми и дори направиха възможно определянето на ориентацията на молекулите и специфичната площ. заети от тях. Освен това, Langmuir е първият, който прехвърля филми с дебелина една молекула - монослоеве - от повърхността на водата върху твърди субстрати. Впоследствие неговата ученичка Катарина Блоджет разработи техниката за многократно прехвърляне на един монослой след друг, така че натрупана подредена структура или многослойна се получава върху твърд субстрат, сега наречен филм на Langmuir-Blodgett. За монослой, лежащ на повърхността на водата, често се запазва името "Langmuir film", въпреки че се използва и във връзка с многослойни филми.

2. Молекули на русалка

Оказва се, че доста сложните молекули имат свои собствени зависимости. Например, някои органични молекули „обичат“ да контактуват с вода, докато други избягват такъв контакт, „страхуват се“ от водата. Наричат се съответно - хидрофилни и хидрофобни молекули. Има обаче и молекули като русалките - едната част е хидрофилна, а другата е хидрофобна. Молекулите на русалката трябва сами да решат проблем: дали трябва да са във водата или не (ако се опитаме да ги сготвим воден разтвор). Намереното решение се оказва наистина Соломоново: разбира се, те ще бъдат във водата, но само наполовина. Молекулите на русалката са разположени на повърхността на водата, така че тяхната хидрофилна глава (която по правило има разделени заряди - електрически диполен момент) се спуска във водата, а хидрофобната опашка (обикновено въглеводородна верига) стърчи навън. заобикалящата газообразна среда (фиг. 1) ...

Позицията на русалките е донякъде неудобна, но удовлетворява един от основните принципи на физиката на системите от много частици - принципа на минималната свободна енергия и не противоречи на нашия опит. Когато върху повърхността на водата се образува мономолекулен слой, хидрофилните глави на молекулите се потапят във водата, докато хидрофобните опашки стърчат вертикално над водната повърхност. Не бива да се мисли, че само някои екзотични вещества имат тенденция да се разполагат в две фази (водна и неводна), т. нар. амфифилност. Напротив, методите на химичен синтез могат, поне по принцип, да „пришият“ хидрофобна опашка към почти всяка органична молекула, така че обхватът на молекулите на русалката е изключително широк и всички те могат да имат голямо разнообразие от цели.

3. Видове филми на Лангмюър

Има два метода за прехвърляне на монослоеве върху твърди субстрати, като и двата са подозрително прости, тъй като могат да се правят буквално с голи ръце.

Монослоевете от амфифилни молекули могат да бъдат прехвърлени от водната повърхност към твърд субстрат по метода на Langmuir-Blodgett (отгоре) или метода на Шефер (отдолу). Първият метод се състои в "пробиване" на монослоя с вертикално движещ се субстрат. Позволява да се получат слоеве както от X - (молекулярни опашки, насочени към субстрата), така и от Z-тип (обратна посока). Вторият метод е просто докосване на монослоя с хоризонтално ориентирания субстрат. Той дава монослоеве тип Х. Първият метод е изобретен от Langmuir и Blodgett. Монослоят се превръща в течен кристал с помощта на плаваща бариера - привежда се в двуизмерно състояние на течен кристал и след това буквално се пробива със субстрат. В този случай повърхността, върху която трябва да се пренесе филмът, е ориентирана вертикално. Ориентацията на молекулите на русалката върху субстрата зависи от това дали субстратът се спуска през монослой във вода или, обратно, се издига от вода във въздух. Ако субстратът е потопен във вода, тогава опашките на "русалките" са насочени към субстрата (Blodgett нарече тази структура монослой от X), а ако се издърпа, тогава, напротив, от субстрата (Z- тип монослой), фиг. 2а. Чрез повтаряне на прехвърлянето на един монослой след друг при различни условия е възможно да се получат многослойни слоеве от три различни видове(X, Y, Z), които се различават една от друга по своята симетрия. Например многослойните от типа X и Z (фиг. 3) нямат център на отражение - инверсия, а имат полярна ос, насочена от субстрата или към субстрата, в зависимост от ориентацията на разположения положителен и отрицателни електрически заряди, тоест в зависимост от посоката на електрическия диполен момент на молекулата. Многослоевите от Y-тип са съставени от двойни слоеве или, както се казва, двуслойни (между другото, те са изградени подобно на биологичните мембрани) и се оказват централно симетрични. Многослойните структури от X-, Z- и Y-типовете се различават по ориентацията на молекулите спрямо субстрата. Структурите на X- и Z-типовете са полярни, тъй като всички молекули „гледат“ в една посока (опашките са към субстрата или от субстрата съответно за X- и Z-типовете).


Ориз. 3. Структури на X- и Z-типове

Y-структурата съответства на неполярна двуслойна опаковка, напомняща биологично мембранно устройство. Вторият метод е предложен от Шефер, също ученик на Langmuir. Подложката е ориентирана почти хоризонтално и се привежда в лек контакт с монослоя, който се държи в твърда фаза (фиг. 2б). Монослоят просто се придържа към субстрата. Повтаряйки тази операция, можете да получите многослоен X-тип. На фиг. 4 показва процеса на отлагане на монослой, когато субстратът се повдига от подфазата: хидрофилните глави на амфифилните молекули "прилепват" към субстрата. Ако субстратът се спусне от въздуха в подфазата, тогава молекулите "залепват" за него с въглеводородни опашки.

4. Инсталации за производство на филми

Обща блокова схема на инсталацията на Langmuir

1 - Лангмюрова вана; 2 - прозрачна запечатана кутия;

3 - масивна метална основна плоча; 4 - амортисьори;

5 - подвижна преграда; 6 - равновесието на Вилхелми; 7 - плоча за баланс Wilhelmy; 8 - субстрат; 9 - електрическо задвижване на преградата (5);

I0 - електрическо задвижване на субстрата (8); II - перисталтична помпа;

I2 - ADC / DAC интерфейс с усилватели на мощност;

Персонален компютър IBM PC / 486.

Уредът се управлява чрез персонален компютър специална програма... За измерване на повърхностното налягане се използва везна на Вилхелми (повърхностното налягане на монослоя е разликата в повърхностното напрежение върху чиста водна повърхност и върху повърхност, покрита с монослой повърхностно активно вещество). Всъщност везната на Вилхелми измерва силата F = F 1 + F 2, с която плоча, намокрена във вода, се изтегля във водата (виж фиг. 7). Като намокрена плоча се използва парче филтърна хартия. Изходното напрежение на баланса Wilhelmy е линейно свързано с повърхностното налягане. Това напрежение отива към входа на ADC, инсталиран в компютъра. Площта на монослоя се измерва с помощта на реостат, спадът на напрежението в който е право пропорционален на стойността на координатите на движещата се бариера. Сигналът от реостата също се подава към входа на ADC. За осъществяване на последователно прехвърляне на монослой от водната повърхност към твърд субстрат с образуване на многослойни структури се използва механично устройство (10), което бавно (със скорост от няколко mm в минута) спуска и повдига субстрата (8) през монослойната повърхност. Тъй като монослоевете се прехвърлят последователно върху субстрата, количеството на веществото, образуващо монослоя върху водната повърхност, намалява и подвижната преграда (5) се движи автоматично, като поддържа повърхностното налягане постоянно. Подвижната преграда (5) се управлява чрез компютър, като се използва напрежението, подавано от изхода на ЦАП през усилвател на мощност към съответния двигател. Движението на субстрата се контролира от контролния панел с помощта на копчетата за грубо и плавно регулиране на скоростта на субстрата. Захранващото напрежение се подава от захранващия блок към контролния панел, а оттам през усилвателя на мощността към електродвигателя на повдигащия механизъм.

Автоматична инсталация KSV 2000

Методът за получаване на филми на Langmuir-Blodgett включва много елементарни технологични операции, т.е. елементарни въздействия върху системата отвън, в резултат на които протичат структурообразуващи процеси в системата "подфаза - монослой - газ - субстрат", които в крайна сметка определят качеството и свойствата на мултиструктурите. За получаване на филмите е използвана автоматизирана инсталация KSV 2000. Инсталационната схема е показана на фиг. осем.


Ориз. 8. Схема за монтаж на KSV 2000

Под защитната капачка 1 върху антивибрационна маса 11 се поставя симетрична трисекционна тефлонова кювета 2, по чиито страни се движат тефлонови бариери в противоположни посоки 5. Определя се повърхностното налягане на интерфейса „подфаза 4 - газ” чрез електронен сензор за повърхностно налягане 6. Блокът за управление 7 е свързан към бариерите на двигателя за изместване 8 и осигурява поддържането на дадено повърхностно налягане (определено от изотермата на компресия и съответстващо на подреденото състояние на монослоя) по време на прехвърлянето на монослоя към повърхността на субстрата. Субстратът 3 се захваща в държача под определен ъгъл спрямо повърхността на подфазата и се придвижва от устройството 10 (оборудвано с механизъм за прехвърляне на субстрата между секциите на кюветата) с помощта на задвижването 9. Преди технологичния цикъл. , повърхността на подфаза 12 е предварително подготвена чрез почистване с помощта на помпата 13. Инсталацията е автоматизирана и оборудвана с компютър 14. Основната част на инсталацията - тефлонова кювета (изглед отгоре е показан на фиг. 9) - се състои от три отделения: две с еднакъв размер за пръскане на различни вещества върху подфазата и едно малко с чиста повърхност. Наличието в представената инсталация на трисекционна кювета, механизъм за прехвърляне на субстрат между секциите и два независими канала за контролиране на бариерите прави възможно получаването на смесени филми на Langmuir, състоящи се от монослоеве от различни вещества.

На фиг. 10 показва едно от двете идентични клетъчни отделения със сензор за повърхностно налягане и бариери. Повърхността на монослоя се променя поради движението на преградите. Бариерите са изработени от тефлон и са достатъчно тежки, за да предотвратят изтичането на монослоя под преградата.


Ориз. 10. Клетъчно отделение

Спецификации за монтаж:

Максималният размер на основата е 100 * 100 mm

Скорост на отлагане на филма 0,1-85 mm / min

Брой цикли на отлагане 1 или повече

Време за съхнене на филма в цикъл 0-10 4 сек

Обхват на измерване на повърхността 0-250 mN / m

налягане

Точност на измерване 5 μN / m

повърхностно налягане

Площта на голямото инсталационно отделение е 775 * 120 мм

Подфазен обем 5,51л

Температурен контрол на подфазата 0-60°С

Скорост на преградата 0,01-800 mm / min

5. Фактори, влияещи върху качеството на филмите на Langmuir-Blodgett

Коефициентът на качество на филмите на Langmuir-Blodgett се изразява по следния начин

K = f (K us, K тези, K pav, K ms, Kp),

K us - измервателни уреди;

Ktech - технологична чистота;

Kpav - физикохимичната природа на повърхностно активното вещество, напръскано върху подфазата;

K ms - фазово състояние на монослоя върху повърхността на подфазата;

Кп - вид субстрат.

Първите два фактора се отнасят до дизайна и технологиите, а останалите - до физическите и химическите.

1. Измервателните устройства включват устройства за преместване на субстрата и преградата. Изискванията към тях при формирането на мултиструктури са както следва:

* липса на механични вибрации;

* постоянство на скоростта на движение на пробата;

* постоянство на скоростта на движение на бариерата;

2. Поддръжка високо нивотехнологична чистота

при условие:

* контрол на чистотата на изходните материали (използване на дестилирана вода като основа на подфазата, приготвяне на повърхностноактивни и електролитни разтвори непосредствено преди използването им);

* извършване на подготвителни операции, като ецване и измиване на субстрати;

* предварително почистване на подфазовата повърхност;

* създаване на квази-затворен обем в работната зона на инсталацията;

* Извършване на всички работи в специализирано помещение с изкуствен климат - "чиста стая".

3. Факторът, който определя физикохимичната природа на повърхностно активното вещество, характеризира такива индивидуални свойства на веществото като:

* структурата (геометрията) на молекулата, която определя съотношението на хидрофилни и хидрофобни взаимодействия между молекулите на самото повърхностно активно вещество и молекулите на повърхностно активното вещество и субфаза;

* разтворимост на повърхностноактивните вещества във вода;

* Химични свойстваПовърхностно активно вещество

За да се получат филми с високо структурно съвършенство, е необходимо да се контролират следните параметри:

Повърхностно напрежение в монослой и коефициент на пренос, характеризиращ наличието на дефекти в LBF;

Околна температура, налягане и влажност,

PH подфази,

Скорост на отлагане на филм

Коефициент на сгъстяване за изотермични участъци, дефиниран, както следва:

където (S, P) - координати на началото и края на линейния участък на изотермата.

6. Уникални свойства на филмите

Многослойният е принципно нов обект на съвременната физика и следователно всяко от техните свойства (оптични, електрически, акустични и т.н.) е напълно необичайно. Дори най-простите структури, съставени от идентични монослоеве, имат редица уникални характеристики, да не говорим за специално конструирани молекулярни сглобки.

Веднага след като вече знаем как да получим монослой от еднакво ориентирани молекули върху твърд субстрат, възниква изкушението да свържем към него източник на електрическо напрежение или, да речем, измервателно устройство. След това всъщност свързваме тези устройства директно към краищата на отделната молекула. Доскоро подобен експеримент беше невъзможен. Към монослоя може да се приложи електрическо поле и да се наблюдава изместването на лентите на оптичната абсорбция на веществото или да се измери тунелният ток във външната верига. Свързването на източник на напрежение към монослой чрез двойка филмови електроди води до два много изразителни ефекта (фиг. 11). Първо, електрическото поле променя позицията на абсорбционните ленти на светлината от молекулата по скалата на дължината на вълната. Това е класическият ефект на Старк (наречен на известния немски физик, който го открива през 1913 г.), който обаче в в такъв случайТо има интересни функции... Въпросът е, че посоката на изместване на абсорбционната лента, както се оказа, зависи от взаимната ориентация на вектора на електрическото поле и присъщия диполен момент на молекулата. И това води до това: за едно и също вещество и освен това при една и съща посока на полето лентата на поглъщане се измества към червената област за монослоя от типа X и към синята - за монослоя от типа Z. По този начин посоката на изместване на лентата може да се използва за преценка на ориентацията на диполите в монослоя. Качествено това физическа ситуацияе разбираемо, но ако се опитаме да интерпретираме количествено изместванията на лентите, възниква най-интересният въпрос как точно се разпределя електрическото поле по протежение на сложна молекула. Теорията за ефекта на Старк е изградена върху допускането за точкови атоми и молекули (това е естествено - в края на краищата техните размери са много по-малки от дължината, при която полето се променя), но тук подходът трябва да бъде коренно различен и все още не е разработена. Друг ефект е преминаването на тунелен ток през монослой ( идвавърху механизма на квантово механично изтичане на електрони през потенциалната бариера). При ниски температури тунелният ток през монослоя на Langmuir наистина се наблюдава. Количественото тълкуване на това чисто квантово явление също трябва да включва отчитане на сложната конфигурация на молекулата на русалката. И какво може да даде връзката на волтметър с монослой? Оказва се, че тогава можете да наблюдавате промяната в електрическите характеристики на молекулата, когато сте изложени на външни фактори... Например, осветяването на монослой понякога е придружено от забележимо преразпределение на заряда във всяка молекула, която е абсорбирала квант светлина. Това е ефектът от така наречения вътремолекулен пренос на заряд. Квант светлина, сякаш, движи електрон по протежение на молекулата и това индуцира електрически ток във външната верига. По този начин волтметърът регистрира вътрешномолекулния електронен фотопроцес. Вътрешномолекулното движение на зарядите може да бъде причинено и от промяна на температурата. В този случай общият електрически диполен момент на монослоя се променя и във външната верига се записва така нареченият пироелектричен ток. Подчертаваме, че нито едно от описаните явления не се наблюдава във филми със случайно разпределение на молекулите по ориентации.

Филмите на Langmuir могат да се използват за симулиране на ефекта от концентрацията на светлинна енергия върху избрана молекула. Например, в началния етап на фотосинтезата в зелените растения светлината се абсорбира от определени видове хлорофилни молекули. Възбудените молекули живеят достатъчно дълго, а самовъзбуждането може да се движи през плътно разположени молекули от същия тип. Това възбуждане се нарича екситон. „Разходката” на екситона приключва в момента, в който той навлезе във „вълчата дупка”, ролята на която играе хлорофилна молекула от друг тип с малко по-ниска енергия на възбуждане. Именно към тази избрана молекула се прехвърля енергия от много екситони, възбудени от светлина. Светлинната енергия, събрана от голяма площ, се концентрира върху микроскопична площ - получава се "фуния за фотони". Тази фуния може да бъде моделирана с помощта на монослой от поглъщащи светлина молекули, в който са разпръснати малък брой молекули на екситонните прехващачи. След улавянето на екситона, молекулата на прихващащата молекула излъчва светлина с характерния си спектър. Такъв монослой е показан на фиг. 12а. При осветяване може да се наблюдава луминесценцията и на двете молекули - поглъщащи светлината и молекули - прехващачи на екситони. Интензитетът на луминесцентните ленти и на двата типа молекули е приблизително еднакъв (фиг. 12b), въпреки че броят им се различава с 2 ... 3 порядъка. Това доказва, че има механизъм за концентрация на енергия, тоест ефект на фотонна фуния.

Днес научната литература активно обсъжда въпроса: възможно ли е да се направят двуизмерни магнити? И във физически план, ние говорим за това дали има фундаментална възможност взаимодействието на молекулярните магнитни моменти, разположени в една и съща равнина, да доведе до спонтанно намагнитване. За да се реши този проблем, атоми на преходни метали (например манган) се въвеждат в амфифилни молекули на русалки и след това се получават монослоеве по метода на Blodgett и се изследват техните магнитни свойства при ниски температури. Първите резултати показват възможността за феромагнитно подреждане в двумерни системи. И още един пример, демонстриращ необичайните физически свойства на филмите на Langmuir. Оказва се, че на молекулярно ниво е възможно прехвърлянето на информация от един монослой към друг, съседен. След това съседният монослой може да бъде отделен и по този начин може да се получи копие на това, което е „записано“ в първия монослой. Това се прави по следния начин. Да предположим, например, че сме получили по метода на Blodgett монослой от такива молекули, които са способни да се сдвояват - димеризират - под въздействието на външни фактори, например електронен лъч (фиг. 13). Ще разглеждаме несдвоените молекули като нули, а сдвоените единици като единици на двоичния информационен код. С тези нули и единици е възможно например да се пише оптически четим текст, тъй като несдвоените и сдвоените молекули имат различни ленти на абсорбция. Сега върху този монослой, използвайки метода на Blodgett, ще приложим втория монослой. Тогава, поради особеностите на междумолекулното взаимодействие, молекулярните двойки привличат точно същите двойки, а самотните молекули предпочитат самотните. В резултат на работата на този "клуб по интереси" информационната картина ще се повтори на втория монослой. Чрез отделяне на горния монослой от долния може да се получи копие. Този процес на копиране е доста подобен на процеса на възпроизвеждане на информация от ДНК молекули – пазителите генетичен код- върху РНК молекули, които носят информация до мястото на синтеза на протеини в клетките на живите организми.

Заключение

Защо методът LB все още не е широко внедрен? Защото по привидно очевидния път има клопки. Техниката LB е външно проста и евтина (ултра-висок вакуум, високи температури и т.н.), но първоначално изисква значителни разходи за създаване на особено чисти помещения, тъй като всяка прашинка, която се е утаила дори върху един от монослоевете в хетероструктурата е непоправим дефект.... Структурата на монослоя от полимерен материал, както се оказа, значително зависи от вида на разтворителя, в който се приготвя разтворът за нанасяне във ваната.

Вече е постигнато разбиране за принципите, според които е възможно да се планира и извършва проектиране и производство на наноструктури по технологията на Langmuir. Необходими са обаче нови методи за изследване на характеристиките на вече произведени наноустройства. Следователно, ние ще можем да постигнем по-голям напредък в проектирането, производството и сглобяването на наноструктури само след като придобием по-задълбочено разбиране на законите, регулиращи физикохимичните свойства на такива материали и тяхното структурно състояние. Рентгеновата и неутронната рефлектометрия и дифракцията на електрони традиционно се използват за изследване на LB филми. Въпреки това, дифракционните данни винаги се осредняват за областта, върху която е фокусиран радиационният лъч. Поради това в момента те се допълват от атомна сила и електронна микроскопия. И накрая, най-новите постижения в структурните изследвания са свързани с пускането на синхротронни източници. Започнаха да се създават станции, в които се комбинират LB баня и рентгенов дифрактометър, поради което структурата на монослоевете може да бъде изследвана директно в процеса на образуване на повърхността на водата. Нанонауката и развитието на нанотехнологиите са все още в ранен етап на развитие, но потенциалните им перспективи са широки, изследователските методи непрекъснато се подобряват и предстоящата работа не е отворена.

литература

монослоен филм langmuir blogett

1. Блинов Л.М. " Физически свойстваи използването на моно- и многомолекулярни структури на Langmuir”. Напредък в химията. т. 52, бр.8, с. 1263 ... 1300, 1983 г.

2. Блинов Л.М. "Langmuir Films" Успехи физически науки, том 155, № 3 с. 443 ... 480, 1988 г.

3. Savon I.E. Теза// Изследване на свойствата на филмите на Langmuir и тяхното получаване. Москва 2010 с. 6-14

Подобни документи

Понятието и свойствата на повърхностното напрежение. Зависимост на параметрите на повърхностната енергия от температурата. Адсорбция. Повърхностна активност. Повърхностно активни и неактивни вещества. Мономолекулна адсорбция. Изотерма на адсорбция на Лангмюр.

презентация добавена на 30.11.2015 г

Механизмът на анодно окисляване на силиция. Влияние на дебелината на филма, образуван чрез метода на йонна имплантация и пренос на водород върху неговите електрофизични свойства. Електрофизични свойства на структури силиций върху изолатор в условия на анодно окисление.

дисертация, добавена на 29.09.2013г

Капацитивен високочестотен разряд: Главна информация, видове, методи на възбуда, изграждане на най-прост модел, форми на съществуване. Кратка теорияМетод на сонда Langmuir. Система от уравнения за определяне на параметрите на разряда. Измерване на разрядния ток.

дисертация, добавена на 30.04.2011г

Изследване на свойствата на порьозните материали. Промяна в изследванията диелектрични характеристикии температурата на фазовия преход на солта на Рошел и триглицин сулфата, включени в Al2O3. Получаване на оксидни филми с нанометрови пори чрез анодизиране на алуминий.

дисертация, добавена на 28.09.2012г

Предназначение и обхват на реакторната инсталация, нейната технически спецификациии анализ на имотите. Модернизираната хидравлична верига, нейната отличителни чертии структура. Неутронно-физично изчисление на инсталацията, нейното изпълнение по различни методи.

курсова работа, добавена на 11.02.2016

Концепцията за аерозоли, класификация по агрегатно състояние, дисперсия и произход. Оптични, електрически и молекулярно-кинетични свойства на аерозолите. Микрохетерогенност на пяната, образуване на филм. Свойства, методи на образуване, разрушаване на пяна.

презентация добавена на 17.08.2015 г

Отлагане на филмови покрития на комплекс химичен състав(оксиди, нитриди, метали). Проблем с отлагането на магнетрон. Изследване на влиянието на нестабилността на мощността и налягането на магнетронния разряд върху процеса на отлагане на филм, експериментални резултати.

дисертация, добавена на 19.05.2013г

Отражателна дифракция на бързи електрони като метод за анализ на повърхностната структура на филмите в хода на молекулярно-лъчева епитаксия. Анализ на температурната зависимост на дебелината на силициев и германиев филм върху слабо неориентирана силициева повърхност.

курсова работа, добавена на 07.06.2011

Физикохимични методи за изследване на повърхностната активност на течности. Изследвания с помощта на бариерната система на Langmuir-Blodgett и баланса на Wilhelmy на динамиката на нейното образуване в еднокомпонентни разтвори на лаурат, калиев каприлат и каприлова киселина.

курсова работа е добавена на 11.11.2014 г

Перспективи за методи за контрол на оптичната дебелина на покритията за различни функционални цели. Контрол на дебелината на оптичните покрития на базата на огнеупорни оксиди, образувани чрез синтез на електронен лъч. Изчисляване на интерференционни покрития.

Катрин Бър Блоджет е родена на 10 януари 1898 г. в Скенектади, Ню Йорк (Schenectady, New York), и е второто дете в семейството. Баща й беше патентен адвокат в General Electric (GE), където всъщност беше ръководител на патентния отдел. Той беше застрелян и убит в къщата си от крадец преди Катрин да се роди. GE предложи 5000 долара за залавяне на убиеца. Заподозрян бе намерен обесен в затворническа килия в Салем, Ню Йорк. Катрин, нейният брат Джордж младши и майка им се преместват във Франция през 1901 г.

През 1912 г. Блоджет се завръща в Ню Йорк, където посещава частно училище, така че успява да получи отлично образование, от което много момичета са били лишени по това време. От ранна възраст Катрин показва своите математически таланти и впоследствие получава стипендия в Bryn Mawr College, където се отличава по математика и физика. През 1917 г. тя получава бакалавърска степен от колежа.

Решавайки да продължат своите Научно изследванеБлоджет посети една от фабриките на GE по време на Коледа, където бивши колеги на баща й я запознаха с химика Ървинг Лангмюър. След като обиколи лабораторията си, Лангмюър каза на 18-годишната Блоджет, че тя трябва да продължи да надгражда знанията си, за да го накара да работи.

Следвайки съвет, Катрин постъпва в Чикагския университет през 1918 г., където избира темата „газ маска“ за дисертацията си. По това време през цялото време бушува Първата световна война и войските особено се нуждаят от защита от токсични вещества. Blodgett успя да установи, че почти всички отровни газове могат да се абсорбират от въглеродните молекули. Тя беше само на 21 години, когато публикува научни статии за противогази във Physical Review.

През 1924 г. Блоджет е включен в програмата за подготовка на доктори по философия в областта на физиката. Тя написа дисертацията си за поведението на електроните в йонизирани живачни пари. Катрин получава дългоочакваната си докторска степен през 1926 г. Веднага след като станала майстор, тя веднага била приета в корпорацията "GE" като изследовател... Възложен на Langmuir, Blodgett работи с него, за да създаде мономолекулярни филми, предназначени да покриват повърхността на вода, метал или стъкло. Тези специални филми бяха мазни и можеха да се съхраняват на слоеве с дебелина само няколко нанометра.

През 1935 г. Катрин разработва метод за разпространение на мономолекулни филми един по един. Тя използва модифициран бариев стеарат за покриване на стъклото в 44 мономолекулни слоя, което увеличава неговата пропускливост с повече от 99%. Така е създадено "невидимото стъкло", което сега се нарича филмът на Лангмюър-Блоджет.

По време на кариерата си Блоджет е получила осем патента в САЩ и е публикувала над 30 научни статии в различни списания. Тя изобрети метод за адсорбционно почистване на отровни газове, система против обледяване на крилата на самолета и подобри вида на военния камуфлаж като димна завеса.

Катрин никога не е била омъжена. Дълги години тя живее щастливо в „бостънски брак“ (лесбийска връзка) с Гертруд Браун, представител на старото семейство Шенектади. След Браун Блоджет живее с Елси Ерингтън, директорка на училище за момичета. Катрин обичаше театъра, играеше в представления, обичаше градинарството и астрономията. Тя събираше антики, играеше бридж с приятели и пишеше забавни стихчета. Блоджет умира в дома си на 12 октомври 1979 г.

в противен случайфилми на Langmuir-Blodgett; Метод на Langmuir-Blodgett(англ. съкр., LB) - технология за получаване на моно- и мултимолекулни филми чрез пренасяне върху твърди филми на Langmuir (монослоеве от съединения, образувани върху повърхността на течност).

Описание

Методът за образуване на моно- и мултимолекулярни филми е разработен от Ървинг Лангмюър и неговата ученичка Катарина Блоджет през 30-те години на миналия век. V сегашно време тази технология, наречен метод Langmuir-Blodgett, се използва активно в производството на съвременни електронни устройства.

Основната идея на метода е образуването на мономолекулен слой от амфифилно вещество върху повърхността на водата и последващото му прехвърляне върху твърд субстрат. Във водната фаза молекулите на амфифилното вещество са разположени на границата въздух-вода. За да се образува повърхностен мономолекулен слой, повърхностният слой се компресира с помощта на специални бутала (виж фиг. 1). При последователно изотермично компресиране се променя структурата на мономолекулния филм, който преминава през редица двуизмерни състояния, условно наречени състояния на газ, течен кристал и твърд кристал (виж фиг. 2). По този начин, знаейки фазовата диаграма на филма, човек може да контролира неговата структура и свързаните физикохимични свойства. Прехвърлянето на филма върху твърда подложка се извършва чрез потапяне в разтвор и последващо отстраняване на плосък субстрат от него, върху който се образува повърхностен филм. Процесът на пренос на мономолекулен филм може да се повтаря многократно, като по този начин се получават различни мултимолекулни слоеве.

Илюстрации

Автори

Еремин Вадим Владимирович
Шляхтин Олег Александрович
Стрелецки Алексей Владимирович

Източник

Langmuir – Blodgett film // Wikipedia, свободната енциклопедия. - http://en.wikipedia.org/wiki/Langmuir%E2%80%93Blodgett_film (дата на достъп: 01.08.2010).

Термин на филма на Лангмюър-Блоджет ( Лангмюър— Блоджет филми) означава еднослойни или многослойни филми, пренесени от интерфейса вода – въздух (обикновено течност – въздух) върху твърд субстрат. Молекулният филм на интерфейса вода-въздух се нарича филм на Langmuir. Първите систематични изследвания на монослоеве от амфифилни молекули на интерфейса вода – въздух са извършени от Langmuir през 1917 г. Първото изследване върху отлагането на многослоен филм от дълги вериги на карбоксилна киселина върху твърд субстрат е извършено от K.B. Blodgett през 1935 г. Методът за физическо отлагане на LB филми чрез потапяне (или повдигане) в течност, върху чиято повърхност е разположен органичен филм, се нарича LB отлагане. Като течна среда най-често се използва дейонизирана вода, но могат да се използват и други течности като глицерин и живак. Всички органични примеси трябва да се отстранят от повърхността на водата чрез филтриране (през филтър с активен въглен).

Ориз. 3.23. Изображение на сканиращ тунелен микроскоп на самосглобен InAs върху GaAs квантови точки (всяка точка е висока 6 nm и 30 nm в диаметър на основата)

Веществата, чиито монослоеве се пренасят по метода LB и взаимодействат с вода (разтварят се във вода), се овлажняват или набъбват, се наричат хидрофилен... Наричат се вещества, които не взаимодействат с вода (не се разтварят), не се намокрят или набъбват хидрофобни... обикновено амфифиленвеществото се разтваря както във вода, така и в мазнини, но в този случай амфифилТова е молекула, която не се разтваря във вода. Единият край на такава молекула е хидрофилен и следователно за предпочитане е потопен във вода, а другият край е хидрофобен и следователно за предпочитане във въздух (или в неполярен разтворител).

Класически пример за амфифилно вещество е стеаринова киселина (C 1 7 H 35 CO 2 H), в която има дълга хидрокарбонатна "опашка" (C 17 H 35 -) е хидрофобен, а основната (главната) карбоксилна група ( - CO 2 H) е хидрофилен. Тъй като амфифилите имат един хидрофилен край (" глава"- глава), а другият край е хидрофобен (" опашка"- опашка), те предпочитат да бъдат разположени на интерфейси като въздух-вода или масло-вода. Поради тази причина те се наричат още повърхностно активни ( повърхностноактивни вещества).

Уникално свойство на LB филмите е способността да се образуват подредена структура върху твърда повърхност от некристален материал... Това позволява прехвърлянето на монослоеве върху различни субстрати. В повечето случаи при пренасяне на монослоеве се използват субстрати с хидрофилна повърхност

в ремък ( прибиране) форма. Можете да използвате материали като стъкло, кварц, алуминий, хром, калай (последният в окислена форма, например Al 2 O 3 Al), злато, сребро и полупроводникови материали (силиций, галиев арсенид и др.). Типичните експерименти използват силициеви пластини, пречистени чрез кипене в смес от 30% водороден прекис и концентрирана сярна киселина (30/70 тегл.%) при 90°С за 30 минути. В зависимост от вида на повърхностната обработка, субстратът може да бъде хидрофилен или хидрофобен. Интересни са субстратите, направени от прясно нацепена слюда. Те имат атомно гладка повърхност и се използват широко в LB експерименти независимо и за производството на атомно плоски повърхности на Au.

Има две известни разновидности на метода за пренасяне на монослоеве от интерфейса вода-въздух върху твърд субстрат. Първият, най-често срещан вариант е вертикално утаяванее демонстриран за първи път от Blodgett и Langmuir. Те показаха, че монослой от амфифилно вещество може да бъде отложен от границата вода-въздух чрез вертикално изместване на плочата (фиг. 3.24).

Ориз. 3.24. Устройство за производство на многослойни филми по метода на Langmuir-Blodgett (а) и схема за тяхното образуване (б)

Когато субстратът се движи през монослой на интерфейса вода-въздух, монослоят може да бъде транспортиран в процеса на плаване (повдигане нагоре) или потапяне (спускане надолу). Монослой
обикновено се пренася по време на флотация, ако повърхността на субстрата е хидрофилна. Ако повърхността на субстрата е хидрофобна, монослоят може да се пренесе по време на потапяне, тъй като хидрофобните алкилови вериги взаимодействат с повърхността. Ако процесът на отлагане започне с хидрофилен субстрат, той става хидрофобен след отлагането на първия монослой и по този начин вторият монослой ще бъде потопен. Този метод е най-общият метод за образуване на многослойни филми за амфифилни молекули, при които главата (" глава») Групите са силно хидрофилни ( - UNSD, - PO 3 H 2 и др.), а другият край („опашка“) е алкилова верига.

Този процес може да се повтори, за да добавите следващия слой. Блоджет нарече този тип утаяване Й-вид на отлаганеи филми - Й- филми... Такива филми имат или хидрофобна, или хидрофилна повърхност, в зависимост от посоката, в която е субстратът последен пътпреминава през монослоя. Въпреки това, ако хидрофобна повърхност (като повърхност от чист силиций) премине от въздух към вода, хидрофобните краища ще се свържат с повърхността.

Устройството може да бъде проектирано да премести субстрата от непокритата част от водата и да го потапя в покритата с филм област на водата, като по този начин създава последователност от слоеве от глава до опашка върху субстрата. Този метод се нарича X-тип отлагане и филмите, състоящи се от идентично ориентирани монослоеве, се наричат X-филми... Основното тук е следното:

· Първо, този метод на отлагане е лесен за управление;

· Второ, дебелината на филма се определя точно от дължината на молекулата;

· И накрая, отлагането от X-тип не е центросиметрично, което е много важно за устройствата с нелинейна оптика.

За силно хидрофилни главни групи този метод на утаяване е най-стабилният, тъй като съседните монослоеве взаимодействат: хидрофобни с –хидрофобни или хидрофилни с хидрофилни. (Фигура 3.25). Съдейки по интерференционните ресни, такива филми могат да включват стотици монослоеве.

Ориз. 3.25. Схематично представяне на филми от Y-, X- и Z-тип (а)

Изглежда, че последователно приложените монослоеве нямат фиксирана ориентация. В вече класическото рентгеново изследване на X- и Y-бариев стеарат, свръхизградени филми от бариев стеарат, Ehlert заключи, че вътрешната ориентация и в двата типа филми е същото... Предполага се, че Y-структурата е по-стабилна.

Филмите, които могат да се образуват само чрез потапяне, обикновено са филми от тип Х. Отлагането настъпва според третия тип, когато филмите се образуват само по време на повдигане (фолиа от Z-тип).

Има варианти, при които главните групи не са ясно хидрофилни (напр - СООМе), или когато алкиловата верига завършва със слабо полярна група (напр. - НЕ 2). И в двата случая взаимодействието между два съседни монослоя е "хидрофилно-хидрофобно" и следователно тези слоеве са по-малко стабилни, отколкото в случая на Y-тип системи. Имайте предвид обаче, че отлагането от X-тип на относително неполярни амфифилни материали като естери произвежда подредени филми, докато отлагането от Y-тип е патологично. В допълнение, X- и Z-тип отлагането е нецентросиметрично и следователно важно в NLO приложения (нелинейна оптика). И накрая, трябва да се отбележи, че отлагането на X-, Y- и Z-типовете не води непременно до образуването на X-, Y- и Z-типове.

В тази връзка следва да се въведе понятието коефициент на предаване. Както отбелязва Blodgett, количеството амфифили, което може да се отложи върху стъклена повърхност, зависи от няколко фактора. Коефициентът на пренос се дефинира като съотношение A / A s, където A s е площта на субстрата, покрита с монослой, а Ai е намаляването на площта, заета от този монослой на интерфейса вода-въздух (при постоянна налягане). Идеалният Y-тип фолио е многослойна система с постоянен

коефициент на предаване, равен на единица и в двата случая на отлагане (когато субстратът се движи нагоре и надолу). Идеалният филм от тип Х може да бъде определен съответно като многослойна система, в която коефициентът на предаване винаги е равен на единица при потапяне и нула при повдигане. На практика има отклонения от идеалната формулировка.
.

Органичните слоеве се прехвърлят от границата течност-газ към твърда повърхностсубстрати при вертикално потапяне или повдигане (фиг. 3.26). Както беше показано по-рано, органичните молекули, използвани при това отлагане, се състоят от два типа функционални групи: единият край е хидрофилен, например, хидрокарбонатна верига, съдържаща киселинна или алкохолна група, разтворима във вода, а другият край е хидрофобен, съдържащ за например неразтворими хидрокарбонатни групи. В резултат на това молекулите образуват филм върху водната повърхност с хидрофилни краища от страната на водата и хидрофобни краища от страна на въздуха. Освен това, такъв филм може да бъде компресиран чрез движеща се бариера, за да образува непрекъснат монослой върху повърхността на течността.

Ориз. 3.26. Схематично представяне на метода на Langmuir-Schaefer

Когато твърдият субстрат се движи с определена скорост, определена от редуктора, органичният филм прилепва към повърхността на твърдия субстрат, преминавайки през интерфейса въздух-вода. Така че, ако стъклена плоча се повдигне през монослой бариев стеарат върху вода, тогава върху плочата се прилепва филм, чиято хидрофобна повърхност е ориентирана навън. Повърхността на субстрата, покрита с филма, е хидрофобна в много по-голяма степен от повърхността на самия бариев стеарат. Ако след това плочата се потопи обратно през повърхността, покрита с филма, тогава върху нея се отлага втори слой "отзад до гръб".

Въпреки очевидната простота, производството на многослойни филми по метода LB не е прост, лесно възпроизводим процес. Внимателна кон

контрол върху най-малките детайли от производството на филма (атмосферно налягане, температура, влажност, наличие на замърсяване на въздуха и др.)

Друг метод за създаванеLB- многослойни конструкции - хоризонтален метод на повдигане (Шефер’ сметод), "Хоризонтален асансьор"който е разработен от Langmuir и Scheifer през 1938 г. Методът на Шайфер е полезен за отлагане на много твърди (твърди) филми. В този случай първо се образува компресиран монослой на границата вода-въздух (фиг. 3.26, а). След това плоският субстрат се поставя хоризонтално върху монослойния филм (фиг. 3.26, b, c). Когато този субстрат се издигне нагоре и се отдели от водната повърхност, монослоят се прехвърля върху субстрата (Фигура 3.26, d), като теоретично се запазва същата посока на молекулите (X-тип).

Засега обаче няма публикации за успех в тази посока. Може да се очаква, че монослоевете от полимерни амфифилни материали са добри кандидати за хоризонтално отлагане поради високия им вискозитет.

Веднъж практически проблемиса разрешени, методът на Scheifer ще намери широко приложение поради своите значителни предимства. Първото предимство е, че скоростта на хоризонтално отлагане не намалява с увеличаване на вискозитета на филма и следователно могат да се използват полимерни филми, които дават термично стабилни монослоеве. Второто предимство е образуването на нецентросиметрични многослойни филми от Х-тип, които могат да се използват в различни области на приложение. Третото и най-важно предимство засега е възможността за проектиране органични суперрешетки.

Под суперрешеткиразбираме плътно опаковани, подредени, триизмерни молекулярни образувания, които проявяват нови физични свойства и се създават чрез повтаряне на процесите на отлагане на мономолекулярни слоеве от различни видове органични молекули.

Този метод за създаване на материали на молекулярно ниво (молекулярно инженерство) представлява интерес, тъй като позволява производството на суперрешетки с различни функционални възможности. Такива суперрешетки могат да се използват за проектиране на молекулярно интегрирани устройства, тъй като различни слоеве могат да работят различни функции, като усилване, оптична обработка, електронно предаване и др.

Въпреки високия потенциал на разглежданите методи, те не са намерили широко приложение в момента поради факта, че LB филмите все още не могат да се конкурират с материали, създадени на базата на традиционни методи. Освен това въпросът за термичната и дългосрочна стабилност на тези филми остава открит.

Въведение

Филмите на Langmuir-Blodgett са принципно нов обект на съвременната физика и всяко от техните свойства е необичайно. Дори простите филми, съставени от идентични монослоеве, имат редица уникални характеристики, да не говорим за специално конструирани молекулярни сглобки. Филмите на Langmuir-Blodgett намират различни практически приложения в различни области на науката и технологиите: в електрониката, оптиката, приложната химия, микромеханиката, биологията, медицината и др. Монослоевите на Langmuir се използват успешно като моделни обекти за изследване на физическите свойства на подредените двуизмерни структури. Методът на Langmuir-Blodgett позволява съвсем просто да се променят повърхностните свойства на монослоя и да се образуват висококачествени филмови покрития. Всичко това е възможно благодарение на прецизния контрол на дебелината на получения филм, равномерността на покритието, ниската грапавост и високата, ако са избрани правилните условия, адхезия на филма към повърхността. Свойствата на филмите също могат лесно да се променят чрез промяна на структурата на полярната глава на амфифилната молекула, състава на монослоя, както и условията на разделяне - състава на подфазата и повърхностното налягане. Методът на Langmuir-Blodgett позволява вграждането на различни молекули и молекулярни комплекси, включително биологично активни, в монослой.

1.
Историята на откриването на филма на Лангмюър

Тази история започва с едно от многото хобита на Бенджамин Франклин, изтъкнат американски учен и уважаван дипломат. Докато е в Европа през 1774 г., където урежда друг конфликт между Англия и северноамериканските щати, Франклин експериментира с маслени филми на повърхността на водата в свободното си време. Ученият бил доста изненадан, когато се оказало, че само една лъжица масло се разстила по повърхността на езерце с площ от половин акър (1 акър ≈ 4000 m 2). Ако изчислим дебелината на получения филм, се оказва, че не надвишава десет нанометра (1 nm = 10 -7 cm); с други думи, филмът съдържа само един слой молекули. Този факт обаче се осъзнава едва 100 години по-късно. Една любопитна англичанка на име Агнес Покелс, в собствената си вана, започна да измерва повърхностното напрежение на водата, замърсена с органични примеси, или, просто казано, сапун. Оказа се, че непрекъснатият сапунен филм значително намалява повърхностното напрежение (припомнете си, че това е енергията на повърхностния слой на единица площ). Покълс пише за нейните експерименти на известния английски физик и математик лорд Рейли, който изпраща писмо до реномирано списание със своите коментари. Тогава самият Рейли възпроизвежда експериментите на Покелс и стига до следното заключение: „Наблюдаваните явления надхвърлят теорията на Лаплас и тяхното обяснение изисква молекулярен подход“. С други думи, сравнително прости - феноменологични - съображения се оказаха недостатъчни, беше необходимо да се включат идеи за молекулярната структура на материята, тогава далеч от очевидни и не общоприети. Скоро на научната сцена се появява американският учен и инженер Ървинг Лангмюър (1881…1957). Цялата му научна биография опровергава добре познатата „дефиниция”, според която „физик е този, който разбира всичко, но не знае нищо; химикът, напротив, знае всичко и нищо не разбира, докато физикохимикът не знае и не разбира. Лангмюър е удостоен с Нобелова награда именно за работата си по физическа химия, забележителна със своята простота и замисленост. В допълнение към класическите резултати, получени от Langmuir в областта на термионната емисия, вакуумната технология и абсорбцията, той разработи много нови експериментални методи, които потвърдиха мономолекулната природа на повърхностните филми и дори направиха възможно определянето на ориентацията на молекулите и специфичната площ. заети от тях. Освен това, Langmuir е първият, който прехвърля филми с дебелина една молекула - монослоеве - от повърхността на водата върху твърди субстрати. Впоследствие неговата ученичка Катарина Блоджет разработи техниката за многократно прехвърляне на един монослой след друг, така че натрупана подредена структура или многослойна се получава върху твърд субстрат, сега наречен филм на Langmuir-Blodgett. За монослой, лежащ на повърхността на водата, често се запазва името "Langmuir film", въпреки че се използва и във връзка с многослойни филми.

2. Молекули на русалка

Оказва се, че доста сложните молекули имат свои собствени зависимости. Например, някои органични молекули „обичат“ да контактуват с вода, докато други избягват такъв контакт, „страхуват се“ от водата. Наричат се съответно - хидрофилни и хидрофобни молекули. Има обаче и молекули като русалките - едната част е хидрофилна, а другата е хидрофобна. Молекулите на русалката трябва сами да решат проблем: дали трябва да са във вода или не (ако се опитваме да приготвим техния воден разтвор). Намереното решение се оказва наистина Соломоново: разбира се, те ще бъдат във водата, но само наполовина. Молекулите на русалката са разположени на повърхността на водата, така че тяхната хидрофилна глава (която по правило има разделени заряди - електрически диполен момент) се спуска във водата, а хидрофобната опашка (обикновено въглеводородна верига) стърчи навън. заобикалящата газообразна среда (фиг. 1) ...

3.
Видове филми на Лангмюър

Монослоевете от амфифилни молекули могат да бъдат прехвърлени от водната повърхност към твърд субстрат по метода на Langmuir-Blodgett (отгоре) или метода на Шефер (отдолу). Първият метод се състои в "пробиване" на монослоя с вертикално движещ се субстрат. Позволява да се получат слоеве както от X - (молекулярни опашки, насочени към субстрата), така и от Z-тип (обратна посока). Вторият метод е просто докосване на монослоя с хоризонтално ориентирания субстрат. Той дава монослоеве тип Х. Първият метод е изобретен от Langmuir и Blodgett. Монослоят се превръща в течен кристал с помощта на плаваща бариера - привежда се в двуизмерно състояние на течен кристал и след това буквално се пробива със субстрат. В този случай повърхността, върху която трябва да се пренесе филмът, е ориентирана вертикално. Ориентацията на молекулите на русалката върху субстрата зависи от това дали субстратът се спуска през монослой във вода или, обратно, се издига от вода във въздух. Ако субстратът е потопен във вода, тогава опашките на "русалките" са насочени към субстрата (Blodgett нарече тази структура монослой от X), а ако се издърпа, тогава, напротив, от субстрата (Z- тип монослой), фиг. 2а. Чрез повтаряне на прехвърлянето на един монослой след друг при различни условия е възможно да се получат многослойни стекове от три различни типа (X, Y, Z), които се различават един от друг по своята симетрия. Например многослойните от типа X и Z (фиг. 3) нямат център на отражение - инверсия, а имат полярна ос, насочена от субстрата или към субстрата, в зависимост от ориентацията на разположения положителен и отрицателни електрически заряди, тоест в зависимост от посоката на електрическия диполен момент на молекулата. Многослоевите от Y-тип са съставени от двойни слоеве или, както се казва, двуслойни (между другото, те са изградени подобно на биологичните мембрани) и се оказват централно симетрични. Многослойните структури от X-, Z- и Y-типовете се различават по ориентацията на молекулите спрямо субстрата. Структурите на X- и Z-типовете са полярни, тъй като всички молекули „гледат“ в една посока (опашките са към субстрата или от субстрата съответно за X- и Z-типовете).

Ориз. 3. Структури на X- и Z-типове

структурата съответства на неполярна двуслойна опаковка, напомняща биологично мембранно устройство. Вторият метод е предложен от Шефер, също ученик на Langmuir. Подложката е ориентирана почти хоризонтално и се привежда в лек контакт с монослоя, който се държи в твърда фаза (фиг. 2б). Монослоят просто се придържа към субстрата. Повтаряйки тази операция, можете да получите многослоен X-тип. На фиг. 4 показва процеса на отлагане на монослой, когато субстратът се повдига от подфазата: хидрофилните глави на амфифилните молекули "прилепват" към субстрата. Ако субстратът се спусне от въздуха в подфазата, тогава молекулите "залепват" за него с въглеводородни опашки.

... Инсталации за производство на филми

Обща блокова схема на инсталацията на Langmuir

1 - Лангмюрова вана; 2 - прозрачна запечатана кутия;

Масивна метална основна плоча; 4 - амортисьори;

Подвижна преграда; 6 - равновесието на Вилхелми; 7 - плоча за баланс Wilhelmy; 8 - субстрат; 9 - електрическо задвижване на преградата (5); - електрическо задвижване на субстрата (8); II - перисталтична помпа - ADC / DAC интерфейс с усилватели на мощност;

Персонален компютър IBM PC / 486.

Инсталацията се контролира чрез персонален компютър с помощта на специална програма. За измерване на повърхностното налягане се използва везна на Вилхелми (повърхностното налягане на монослоя p е разликата в повърхностното напрежение върху чиста водна повърхност и върху повърхност, покрита с монослой повърхностно активно вещество). Всъщност везната на Вилхелми измерва силата F = F 1 + F 2, с която плоча, намокрена във вода, се изтегля във водата (виж фиг. 7). Като намокрена плоча се използва парче филтърна хартия. Напрежението на изхода на везната Wilhelmy е линейно свързано с повърхностното налягане p. Това напрежение отива към входа на ADC, инсталиран в компютъра. Площта на монослоя се измерва с помощта на реостат, спадът на напрежението в който е право пропорционален на стойността на координатите на движещата се бариера. Сигналът от реостата също се подава към входа на ADC. За осъществяване на последователно прехвърляне на монослой от водната повърхност към твърд субстрат с образуване на многослойни структури се използва механично устройство (10), което бавно (със скорост от няколко mm в минута) спуска и повдига субстрата (8) през монослойната повърхност. Тъй като монослоевете се прехвърлят последователно върху субстрата, количеството на веществото, образуващо монослоя върху водната повърхност, намалява и подвижната преграда (5) се движи автоматично, като поддържа повърхностното налягане постоянно. Подвижната преграда (5) се управлява чрез компютър, като се използва напрежението, подавано от изхода на ЦАП през усилвател на мощност към съответния двигател. Движението на субстрата се контролира от контролния панел с помощта на копчетата за грубо и плавно регулиране на скоростта на субстрата. Захранващото напрежение се подава от захранващия блок към контролния панел, а оттам през усилвателя на мощността към електродвигателя на повдигащия механизъм.

Автоматична инсталация KSV 2000

Ориз. 8. Схема за монтаж на KSV 2000

Ориз. 10. Клетъчно отделение

Спецификации за монтаж:

Максималният размер на основата е 100 * 100 mm

Скорост на отлагане на филма 0,1-85 mm / min

Брой цикли на отлагане 1 или повече

Време за съхнене на филма в цикъл 0-10 4 сек

Обхват на измерване на повърхността 0-250 mN / m

налягане

Точност на измерване 5 μN / m

повърхностно налягане

Площта на голямото инсталационно отделение е 775 * 120 мм

Подфазен обем 5,51л

Температурен контрол на подфазата 0-60°С

Скорост на преградата 0,01-800 mm / min

5. Фактори, влияещи върху качеството на филмите на Langmuir-Blodgett

Коефициентът на качество на филмите на Langmuir-Blodgett се изразява по следния начин

начин:

K = f (K us, K тези, K pav, K ms, Kp),

мустаци - измервателни уреди;

Ktech - технологична чистота;

Kpav - физикохимичната природа на повърхностно активното вещество, напръскано върху подфазата;

K ms - фазово състояние на монослоя върху повърхността на подфазата;

Кп - вид субстрат.

Първите два фактора се отнасят до дизайна и технологиите, а останалите - до физическите и химическите.

Измервателните устройства включват устройства за преместване на субстрата и преградата. Изискванията към тях при формирането на мултиструктури са както следва:

Липса на механични вибрации;

Постоянството на скоростта на движение на пробата;

Постоянство на скоростта на движение на преградата;

Поддържане на високо ниво на технологична чистота

Контрол на чистотата на изходните материали (използване на дестилирана вода като основа на подфазата, приготвяне на повърхностноактивни и електролитни разтвори непосредствено преди употребата им);

Извършване на подготвителни операции, като ецване и измиване на субстрати;

Предварително почистване на подфазовата повърхност;

Създаване на квази-затворен обем в работната зона;

Извършване на цялата работа в специализирано помещение с изкуствен климат - "чиста стая".

Факторът, който определя физикохимичната природа на повърхностно активното вещество, характеризира такива индивидуални свойства на веществото като:

Структурата (геометрията) на молекулата, която определя съотношението на хидрофилни и хидрофобни взаимодействия между молекулите на самото повърхностно активно вещество и молекулите на повърхностно активното вещество и субфаза;

Разтворимост на повърхностноактивни вещества във вода;

Химични свойства на повърхностноактивните вещества

За да се получат филми с високо структурно съвършенство, е необходимо да се контролират следните параметри:

повърхностно напрежение в монослоя и коефициент на пренос, характеризиращ наличието на дефекти в LBF;

температура, налягане и влажност на околната среда,

PH подфази,

Скорост на отлагане на филм

Коефициент на сгъстяване за изотермични участъци, дефиниран, както следва:

където (S, P) - координати на началото и края на линейния участък на изотермата.

6. Уникални свойства на филмите

Веднага след като вече знаем как да получим монослой от еднакво ориентирани молекули върху твърд субстрат, възниква изкушението да свържем към него източник на електрическо напрежение или, да речем, измервателно устройство. След това всъщност свързваме тези устройства директно към краищата на отделната молекула. Доскоро подобен експеримент беше невъзможен. Към монослоя може да се приложи електрическо поле и да се наблюдава изместването на лентите на оптичната абсорбция на веществото или да се измери тунелният ток във външната верига. Свързването на източник на напрежение към монослой чрез двойка филмови електроди води до два много изразителни ефекта (фиг. 11). Първо, електрическото поле променя позицията на абсорбционните ленти на светлината от молекулата по скалата на дължината на вълната. Това е класическият ефект на Старк (кръстен на известния немски физик, който го открива през 1913 г.), който обаче има интересни особености в случая. Въпросът е, че посоката на изместване на абсорбционната лента, както се оказа, зависи от взаимната ориентация на вектора на електрическото поле и присъщия диполен момент на молекулата. И това води до това: за едно и също вещество и освен това при една и съща посока на полето лентата на поглъщане се измества към червената област за монослоя от типа X и към синята - за монослоя от типа Z. По този начин посоката на изместване на лентата може да се използва за преценка на ориентацията на диполите в монослоя. Качествено тази физическа ситуация е разбираема, но ако се опитаме да интерпретираме количествено изместването на лентите, възниква най-интересният въпрос как точно се разпределя електрическото поле по протежение на сложна молекула. Теорията за ефекта на Старк е изградена върху допускането за точкови атоми и молекули (това е естествено - в края на краищата техните размери са много по-малки от дължината, при която полето се променя), но тук подходът трябва да бъде коренно различен и все още не е разработена. Друг ефект се състои в протичането на тунелен ток през монослой (говорим за механизма на квантово-механично изтичане на електрони през потенциална бариера). При ниски температури тунелният ток през монослоя на Langmuir наистина се наблюдава. Количественото тълкуване на това чисто квантово явление също трябва да включва отчитане на сложната конфигурация на молекулата на русалката. И какво може да даде връзката на волтметър с монослой? Оказва се, че тогава можете да наблюдавате промяната в електрическите характеристики на молекулата под въздействието на външни фактори. Например, осветяването на монослой понякога е придружено от забележимо преразпределение на заряда във всяка молекула, която е абсорбирала квант светлина. Това е ефектът от така наречения вътремолекулен пренос на заряд. Квант светлина, сякаш, движи електрон по протежение на молекулата и това индуцира електрически ток във външната верига. По този начин волтметърът регистрира вътрешномолекулния електронен фотопроцес. Вътрешномолекулното движение на зарядите може да бъде причинено и от промяна на температурата. В този случай общият електрически диполен момент на монослоя се променя и във външната верига се записва така нареченият пироелектричен ток. Подчертаваме, че нито едно от описаните явления не се наблюдава във филми със случайно разпределение на молекулите по ориентации.

Днес научната литература активно обсъжда въпроса: възможно ли е да се направят двуизмерни магнити? И във физически план, ние говорим за това дали има фундаментална възможност взаимодействието на молекулярните магнитни моменти, разположени в една и съща равнина, да доведе до спонтанно намагнитване. За да се реши този проблем, атоми на преходни метали (например манган) се въвеждат в амфифилни молекули на русалки и след това се получават монослоеве по метода на Blodgett и се изследват техните магнитни свойства при ниски температури. Първите резултати показват възможността за феромагнитно подреждане в двумерни системи. И още един пример, демонстриращ необичайните физически свойства на филмите на Langmuir. Оказва се, че на молекулярно ниво е възможно прехвърлянето на информация от един монослой към друг, съседен. След това съседният монослой може да бъде отделен и по този начин може да се получи копие на това, което е „записано“ в първия монослой. Това се прави по следния начин. Да предположим, например, че сме получили по метода на Blodgett монослой от такива молекули, които са способни да се сдвояват - димеризират - под въздействието на външни фактори, например електронен лъч (фиг. 13). Ще разглеждаме несдвоените молекули като нули, а сдвоените единици като единици на двоичния информационен код. С тези нули и единици е възможно например да се пише оптически четим текст, тъй като несдвоените и сдвоените молекули имат различни ленти на абсорбция. Сега върху този монослой, използвайки метода на Blodgett, ще приложим втория монослой. Тогава, поради особеностите на междумолекулното взаимодействие, молекулярните двойки привличат точно същите двойки, а самотните молекули предпочитат самотните. В резултат на работата на този "клуб по интереси" информационната картина ще се повтори на втория монослой. Чрез отделяне на горния монослой от долния може да се получи копие. Този процес на копиране е доста подобен на процеса на репликиране на информация от молекулите на ДНК - пазителите на генетичния код - към молекулите на РНК, които пренасят информация до мястото на синтеза на протеин в клетките на живите организми.

Заключение

литература

монослоен филм langmuir blogett

1. Блинов Л.М. „Физични свойства и приложения на моно- и многомолекулярни структури на Langmuir.“ Напредък в химията. т. 52, бр.8, с. 1263 ... 1300, 1983 г.

2. Блинов Л.М. "Langmuir Films" Успехи физически науки, том 155, № 3 с. 443 ... 480, 1988 г.

3. Savon I.E. Теза // Изследване на свойствата на филмите на Langmuir и тяхното получаване. Москва 2010 с. 6-14