이중 장벽이 있는 Langmuir blogett 욕조. Langmuir-Blodgett 기술

소개

Langmuir-Blodgett는 근본적으로 새로운 대상을 촬영합니다. 현대 물리학, 속성 중 하나가 비정상적입니다. 동일한 단층으로 구성된 단순한 필름조차도 특수하게 구성된 분자 어셈블리는 말할 것도 없이 많은 고유한 기능을 가지고 있습니다. Langmuir-Blodgett 영화는 다양한 실용다양한 과학 및 기술 분야: 전자, 광학, 응용 화학, 미세 역학, 생물학, 의학 등에서 Langmuir 단층은 정렬된 2차원 구조의 물리적 특성을 연구하기 위한 모델 개체로 성공적으로 사용됩니다. Langmuir-Blodgett 방법을 사용하면 단층의 표면 특성을 아주 간단하게 변경하고 고품질 필름 코팅을 형성할 수 있습니다. 이 모든 것은 결과 필름의 두께의 정밀한 제어, 코팅의 균일성, 낮은 거칠기 및 높은 조건이 선택되면 표면에 대한 필름의 접착력으로 인해 가능합니다. 필름의 특성은 또한 양친매성 분자의 극성 헤드 구조, 단층의 조성, 분리 조건(하위상의 조성 및 표면 압력)을 변경하여 쉽게 변경할 수 있습니다. Langmuir-Blodgett 방법을 사용하면 생물학적 활성을 포함하는 다양한 분자와 분자 복합체를 단층에 삽입할 수 있습니다.

1. Langmuir 영화 발견의 역사

이 이야기는 저명한 미국 과학자이자 존경받는 외교관인 벤자민 프랭클린의 많은 취미 중 하나에서 시작됩니다. 1774년 유럽에서 영국과 북아메리카 국가 간의 또 다른 분쟁을 해결하는 동안 Franklin은 자유 시간물 표면의 유막을 실험했습니다. 과학자는 0.5에이커(1에이커? 4000m2) 면적의 연못 표면에 한 숟가락의 기름만 퍼진다는 사실이 밝혀졌을 때 꽤 놀랐습니다. 결과 필름의 두께를 계산하면 10 나노 미터 (1 nm = 10-7 cm)를 초과하지 않는 것으로 나타났습니다. 즉, 필름은 분자의 단 하나의 층을 포함합니다. 그러나 이 사실은 100년이 지나서야 깨달았다. Agnes Pockels라는 이름의 호기심 많은 영국 여성이 자신의 욕조에서 측정을 시작했습니다. 표면 장력유기 불순물로 오염된 물, 간단히 말해서 비누. 연속적인 비누막은 표면장력을 현저히 낮추는 것으로 밝혀졌습니다(단위 면적당 표면층의 에너지임을 상기하십시오). Pockels는 유명한 영국 물리학자이자 수학자인 Lord Rayleigh에게 자신의 실험에 대해 썼습니다. 그런 다음 Rayleigh 자신은 Pockels의 실험을 재현하여 다음과 같은 결론에 도달했습니다. "관찰된 현상은 라플라스 이론을 뛰어넘고 설명은 분자적 접근이 필요합니다." 다시 말해, 비교적 단순한 현상학적 고려가 불충분한 것으로 판명되었으며, 그 다음에는 명백하지 않고 일반적으로 받아 들여지지 않는 물질의 분자 구조에 대한 아이디어를 포함할 필요가 있었습니다. 곧 미국 과학자이자 엔지니어인 Irving Langmuir(1881… 1957)가 과학계에 나타났습니다. 그것의 모든 과학 전기"물리학자는 모든 것을 이해하지만 아무것도 모르는 사람"이라는 잘 알려진 "정의"를 반박합니다. 반대로 화학자는 모든 것을 알고 아무 것도 이해하지 못하는 반면, 물리 화학자는 알지 못하고 이해하지 못합니다. 랑뮤어 수상 노벨상정확하게 그들의 작업을 위해 물리 화학, 단순함과 사려 깊음으로 인해 주목할 만합니다. 열이온 방출, 진공 기술 및 흡수 분야에서 Langmuir가 얻은 고전적인 결과 외에도 그는 표면 필름의 단분자 특성을 확인하고 분자의 방향과 특정 영역을 결정할 수 있게 하는 많은 새로운 실험 방법을 개발했습니다. 그들에 의해 점령. 또한 Langmuir는 물 표면에서 고체 기질로 1분자 두께의 필름(단일층)을 최초로 전사했습니다. 그 후 그의 학생인 Katharina Blodgett는 단일층을 차례로 다중 전사하는 기술을 개발하여 현재 Langmuir-Blodgett 필름이라고 하는 단단한 기판에서 적층 구조 또는 다중층을 얻을 수 있습니다. 수면에 있는 단층의 경우 "Langmuir 필름"이라는 이름이 종종 유지되지만 다층 필름과 관련하여도 사용됩니다.

2. 인어 분자

상당히 복잡한 분자에는 자체 중독이 있음이 밝혀졌습니다. 예를 들어, 일부 유기 분자는 물과 접촉하는 것을 "좋아"하지만 다른 유기 분자는 그러한 접촉을 피하고 물을 "두려워"합니다. 그들은 각각 친수성 및 소수성 분자라고합니다. 그러나 인어와 같은 분자도 있습니다. 한 부분은 친수성이고 다른 부분은 소수성입니다. 인어 분자는 스스로 문제를 해결해야 합니다. 물 속에 있어야 하는지 여부(우리가 그들을 요리하려고 하면 수용액). 발견 된 솔루션은 진정한 솔로몬으로 판명되었습니다. 물론 물 속에는 있지만 절반 만 있습니다. 인어 분자는 물 표면에 위치하여 친수성 머리(일반적으로 분리된 전하-전기 쌍극자 모멘트)가 물 속으로 낮아지고 소수성 꼬리(보통 탄화수소 사슬)가 물 속으로 돌출됩니다. 주변 기체 매질(그림 1) ...

인어의 위치는 다소 불편하지만 많은 입자 시스템의 물리학의 기본 원리 중 하나인 최소 자유 에너지 원리를 충족하며 우리의 경험과 모순되지 않습니다. 물 표면에 단분자 층이 형성되면 분자의 친수성 머리는 물에 잠기고 소수성 꼬리는 수면 위로 수직으로 튀어 나옵니다. 일부 외래 물질만이 소위 양친매성(amphiphilicity)이라는 두 단계(수성 및 비수성)에 위치하는 경향이 있다고 생각해서는 안 됩니다. 반대로, 화학적 합성 방법은 최소한 원칙적으로 거의 모든 유기 분자에 소수성 꼬리를 "꿰매어" 인어 분자의 범위가 매우 넓고 모두 다양한 목적을 가질 수 있습니다.

3. Langmuir 영화의 종류

단층을 고체 기질로 옮기는 두 가지 방법이 있는데, 두 가지 모두 문자 그대로 맨손으로 할 수 있기 때문에 의심스러울 정도로 간단합니다.

양친매성 분자의 단층은 Langmuir-Blodgett 방법(위) 또는 Schaeffer 방법(아래)에 의해 수면에서 고체 기질로 이동할 수 있습니다. 첫 번째 방법은 수직으로 움직이는 기질로 단층을 "피어싱"하는 것으로 구성됩니다. 이를 통해 X-(기질을 향한 분자 꼬리)와 Z-형(역방향)의 레이어를 모두 얻을 수 있습니다. 두 번째 방법은 단순히 수평으로 배향된 기판으로 단층을 만지는 것입니다. 그것은 X 형 단층을 제공합니다. 첫 번째 방법은 Langmuir와 Blodgett에 의해 발명되었습니다. 단층은 부동 장벽의 도움으로 액정으로 변환되어 2차원 액정 상태가 된 다음 문자 그대로 기판으로 관통됩니다. 이 경우 필름이 전사될 면이 수직으로 배향됩니다. 기질에서 인어 분자의 방향은 기질이 단층을 통해 물로 낮아지거나 반대로 물에서 공기로 올라오는지에 따라 다릅니다. 기질이 물에 잠기면 "인어"의 꼬리가 기질을 향하고(Blodgett는 이 구조를 X형 단층이라고 함), 당겨지면 반대로 기질(Z- 유형 단층), 그림. 2a. 다른 조건에서 하나의 단층을 다른 단층으로 옮기는 것을 반복함으로써 3개의 다층 층을 얻을 수 있습니다. 다른 유형(X, Y, Z), 대칭이 서로 다릅니다. 예를 들어, X 및 Z 유형의 다층(그림 3)에는 반사 중심이 없습니다. 및 음전하, 즉 분자의 전기 쌍극자 모멘트의 방향에 따라 달라집니다. Y형 다층은 이중층 또는 이중층(생물학적 막과 유사하게 구성됨)으로 구성되며 중심 대칭인 것으로 판명되었습니다. X, Z 및 Y 유형의 다층 구조는 기판에 대한 분자의 방향이 다릅니다. 모든 분자가 한 방향으로 "보이기" 때문에 X 및 Z 유형의 구조는 극성입니다.


쌀. 3. X형과 Z형의 구조

Y-구조는 생물학적 막 장치를 연상시키는 비극성 이중층 패키징에 해당합니다. 두 번째 방법은 역시 Langmuir의 학생인 Schaeffer가 제안한 것입니다. 기판은 거의 수평으로 배향되고 고체 상태로 유지되는 단층과 가벼운 접촉이 이루어집니다(그림 2b). 단층은 단순히 기판에 달라붙습니다. 이 작업을 반복하면 X형 다층을 얻을 수 있습니다. 그림에서 도 4는 기판이 서브페이즈로부터 들어올려질 때 단층의 증착 과정을 보여준다: 양친매성 분자의 친수성 헤드가 기판에 "접착"한다. 기질이 공기에서 하위상으로 내려오면 분자는 탄화수소 꼬리로 기질에 "붙어" 붙습니다.

4. 영화 제작을 위한 설비

Langmuir 설치의 일반 블록 다이어그램

1 - Langmuir 목욕 2 - 투명 밀봉 상자;

3 - 거대한 금속 베이스 플레이트; 4 - 완충기;

5 - 이동식 장벽; 6 - Wilhelmy의 균형; 7 - Wilhelmy 균형 판; 8 - 기판; 9 - 장벽의 전기 구동 (5);

I0 - 기판 전기 드라이브(8); II - 연동 펌프;

I2 - 전력 증폭기가 있는 ADC/DAC 인터페이스;

개인용 컴퓨터 IBM PC / 486.

장치는 다음을 사용하여 개인용 컴퓨터를 통해 제어됩니다. 특별 프로그램... 표면 압력을 측정하기 위해 Wilhelmy 저울이 사용됩니다(단일층의 표면 압력은 깨끗한 물 표면과 계면활성제 단일층으로 덮인 표면의 표면 장력의 차이입니다). 사실, Wilhelmy의 저울은 F = F 1 + F 2 힘을 측정하는데, 이 힘으로 물에 적신 판을 물 속으로 끌어당깁니다(그림 7 참조). 여과지 조각이 젖은 판으로 사용됩니다. Wilhelmy 저울의 출력 전압은 표면 압력과 선형적으로 관련되어 있습니다. 이 전압은 컴퓨터에 설치된 ADC의 입력으로 이동합니다. 단층 면적은 가변 저항기를 사용하여 측정되며 전압 강하는 이동 장벽의 좌표 값에 정비례합니다. 가변 저항기의 신호는 ADC 입력에도 공급됩니다. 다층 구조의 형성과 함께 수면에서 고체 기판으로 단층의 순차적 전달을 구현하기 위해 기판을 천천히(분당 몇 mm의 속도로) 낮추고 들어 올리는 기계적 장치(10)가 사용됩니다. (8) 단층 표면을 통해. 단층이 기판에 연속적으로 전달됨에 따라 수면에서 단층을 형성하는 물질의 양이 감소하고 이동 장벽(5)이 자동으로 이동하여 표면 압력을 일정하게 유지합니다. 이동식 배리어(5)는 전력 증폭기를 통해 출력되는 DAC에서 해당 모터로 공급되는 전압을 사용하여 컴퓨터를 통해 제어됩니다. 인쇄물의 이동은 인쇄물 속도의 거칠고 부드러운 조정을 위해 노브를 사용하여 제어판에서 제어됩니다. 공급 전압은 전원 공급 장치에서 제어 패널로 공급되고 거기에서 전력 증폭기를 통해 리프팅 메커니즘의 전기 모터로 공급됩니다.

자동 설치 KSV 2000

Langmuir-Blodgett 필름을 얻는 방법에는 많은 기본 기술 작업이 포함됩니다. 외부에서 시스템에 대한 기본 영향, 그 결과 "하위상 - 단층 - 기체 - 기질" 시스템에서 구조 형성 프로세스가 발생하여 궁극적으로 다중 구조의 품질과 특성을 결정합니다. 필름을 얻기 위해 자동화된 KSV 2000 설치가 사용되었으며 설치 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 여덟.


쌀. 8. KSV 2000 설치도

대칭 3단면 테플론 큐벳 2는 방진 테이블 11의 보호 캡 1 아래에 배치되며, 그 측면을 따라 테플론 장벽이 반대 방향 5로 이동합니다. "하위상 4 - 가스" 경계면에서 표면 압력이 결정됩니다. 전자 표면 압력 센서 6에 의해 제어 장치 7은 변위 모터 배리어 8에 연결되고 단층의 전달 동안 주어진 표면 압력(압축 등온선에서 결정되고 단층의 정렬된 상태에 해당)의 유지를 보장합니다 기판 표면에. 기판 3은 서브페이즈의 표면에 대해 일정한 각도로 홀더에 고정되고 드라이브 9를 사용하여 장치 10(큐벳 섹션 사이에 기판을 이송하는 메커니즘 장착)에 의해 이동됩니다. 기술 주기 전에 , 하위 단계 12의 표면은 펌프 13의 도움으로 청소하여 예비 준비됩니다. 설치는 자동화되고 컴퓨터가 장착되어 있습니다. 14. 설치의 주요 부분 - 테플론 큐벳(상단면은 그림 9) - 세 개의 구획으로 구성되어 있습니다. 두 개의 구획은 다양한 물질을 하위 단계에 분사하기 위한 동일한 크기이고 다른 하나는 깨끗한 표면을 가진 작은 구획입니다. 세 부분으로 된 큐벳, 부분 사이에 기질을 옮기는 메커니즘, 장벽을 제어하기 위한 두 개의 독립적인 채널이 설치되어 있어 다양한 물질의 단층으로 구성된 혼합 Langmuir 필름을 얻을 수 있습니다.

그림에서 10은 표면 압력 센서와 장벽이 있는 두 개의 동일한 셀 구획 중 하나를 보여줍니다. 장벽의 이동으로 인해 단층 표면적이 변경됩니다. 장벽은 테플론으로 만들어지며 단층이 장벽 아래로 새는 것을 방지할 만큼 충분히 무겁습니다.


쌀. 10. 세포 구획

설치 사양:

기판의 최대 크기는 100*100mm입니다.

필름 증착 속도 0.1-85 mm/min

증착 사이클 수 1 이상

사이클의 필름 건조 시간 0-10 4초

표면 측정 범위 0-250mN/m

압력

측정 정확도 5μN/m

표면 압력

큰 설치 구획의 면적은 775 * 120 mm입니다

하위 단계 볼륨 5.51 l

하위 단계의 온도 제어 0-60 ° С

배리어 속도 0.01-800mm/분

5. Langmuir-Blodgett 영화의 품질에 영향을 미치는 요소

Langmuir-Blodgett 필름의 품질 계수는 다음과 같이 표현됩니다.

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

K us - 측정 장치;

Ktech - 기술적 순수성;

Kpav - 서브페이즈에 분사되는 계면활성제의 물리화학적 특성.

K ms - 하위상의 표면에 있는 단층의 위상 상태;

Кп - 기판 유형.

처음 두 요소는 설계 및 기술과 관련되고 나머지는 물리적 및 화학적 요소와 관련됩니다.

1. 측정 장치에는 기판과 배리어를 이동시키는 장치가 포함됩니다. 다중 구조 형성에 대한 요구 사항은 다음과 같습니다.

* 기계적 진동 부족;

* 샘플의 이동 속도의 불변성;

* 장벽의 이동 속도의 불변성;

2. 유지보수 높은 레벨기술적 순수성

제공:

* 출발 물질의 순도 제어(하위상의 기본으로 증류수 사용, 사용 직전에 계면 활성제 및 전해질 용액 준비);

* 기판의 에칭 및 세척과 같은 준비 작업 수행;

* 서브페이즈 표면의 예비 청소;

* 설치 작업 영역에 준 폐쇄 볼륨 생성;

* 인공 기후 - "클린 룸"이있는 특수 실에서 모든 작업을 수행합니다.

3. 계면 활성제의 물리 화학적 성질을 결정하는 요인은 다음과 같은 물질의 개별 특성을 나타냅니다.

* 계면 활성제 자체의 분자와 계면 활성제 및 하위상의 분자 사이의 친수성 및 소수성 상호 작용의 비율을 결정하는 분자의 구조 (기하학);

* 물에 대한 계면활성제의 용해도;

* 화학적 특성계면활성제

높은 구조적 완성도의 필름을 얻으려면 다음 매개변수를 제어해야 합니다.

단층의 표면 장력 및 LBF의 결함 존재를 특징으로 하는 전달 계수;

주변 온도, 압력 및 습도,

PH 하위 단계,

성막율

다음과 같이 정의되는 등온선 섹션에 대한 압축 계수:

어디서? (S, P) - 등온선의 선형 단면의 시작과 끝 좌표.

6. 필름 고유의 특성

다층은 현대 물리학의 근본적으로 새로운 대상이므로 그 속성(광학, 전기, 음향 등)은 완전히 이례적입니다. 동일한 단층으로 구성된 가장 단순한 구조조차도 특수하게 구성된 분자 어셈블리는 말할 것도 없이 많은 고유한 특징을 가지고 있습니다.

고체 기판에서 균일하게 배향된 분자의 단일층을 얻는 방법을 이미 알고 있는 즉시 여기에 전압 소스 또는 측정 장치를 연결하려는 유혹이 있습니다. 그런 다음 실제로 이러한 장치를 개별 분자의 끝에 직접 연결합니다. 아주 최근까지 그러한 실험은 불가능했습니다. 단층에 전계를 인가하여 물질의 광흡수대역의 이동을 관찰하거나 외부회로의 터널링전류를 측정할 수 있다. 한 쌍의 필름 전극을 통해 전압 소스를 단층에 연결하면 두 가지 매우 표현적인 효과가 나타납니다(그림 11). 첫째, 전기장은 파장 규모에서 분자에 의한 빛의 흡수 밴드의 위치를 바꿉니다. 이것은 고전적인 스타크 효과(1913년에 그것을 발견한 유명한 독일 물리학자의 이름을 따서 명명됨)입니다. 이 경우그것은 가지고있다 흥미로운 기능... 요점은 흡수 밴드의 이동 방향이 전기장 벡터의 상호 방향과 분자의 고유 쌍극자 모멘트에 의존한다는 것입니다. 그리고 이것이 결과로 이어집니다. 동일한 물질에 대해 그리고 필드의 동일한 방향으로 흡수 밴드가 X형 단층의 경우 빨간색 영역으로 이동하고 Z형 단층의 경우 파란색으로 이동합니다. 따라서 밴드의 이동 방향은 단층에서 쌍극자의 방향을 판단하는 데 사용할 수 있습니다. 질적으로 이것은 신체적 상황이해할 수 있지만 밴드의 변위를 정량적으로 해석하려고 하면 복잡한 분자를 따라 전기장이 정확히 어떻게 분포되는지에 대한 가장 흥미로운 질문이 발생합니다. Stark 효과의 이론은 점 원자와 분자의 가정에 기반을 두고 있습니다(이것은 자연스러운 일입니다. 결국 크기는 필드가 변경되는 길이보다 훨씬 작습니다). 여기서 접근 방식은 근본적으로 달라야 하며, 아직 개발되지 않았습니다. 또 다른 효과는 단층을 통한 터널링 전류의 통과입니다( 그것은 온다전위 장벽을 통한 전자의 양자 기계적 누출 메커니즘). 저온에서 Langmuir 단층을 통한 터널링 전류가 실제로 관찰됩니다. 이 순수한 양자 현상에 대한 정량적 해석에는 인어 분자의 복잡한 구성을 고려하는 것도 포함되어야 합니다. 전압계를 단층에 연결하면 무엇을 얻을 수 있습니까? 그러면 분자에 노출되었을 때 분자의 전기적 특성 변화를 모니터링할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 외부 요인... 예를 들어, 단층의 조명은 때때로 빛의 양자를 흡수한 각 분자에서 눈에 띄는 전하 재분배를 동반합니다. 이것은 소위 분자 내 전하 이동의 효과입니다. 말하자면, 빛의 양자는 분자를 따라 전자를 움직이고, 이것은 외부 회로에 전류를 유도합니다. 따라서 전압계는 분자내 전자 광과정을 등록합니다. 전하의 분자 내 이동은 온도 변화로 인해 발생할 수도 있습니다. 이 경우 단층의 총 전기 쌍극자 모멘트가 변하고 소위 초전류가 외부 회로에 기록됩니다. 설명된 현상 중 어느 것도 배향에 대한 분자의 무작위 분포가 있는 필름에서 관찰되지 않음을 강조합니다.

Langmuir 필름은 일부 선택된 분자에 대한 빛 에너지 집중 효과를 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 녹색 식물의 광합성 초기 단계에서 빛은 특정 유형의 엽록소 분자에 흡수됩니다. 들뜬 분자는 충분히 오래 살며 자기 들뜬 상태는 같은 유형의 조밀한 간격의 분자를 통해 이동할 수 있습니다. 이 여기를 엑시톤이라고 합니다. 여기자의 "걷기"는 약간 낮은 여기 에너지를 가진 다른 유형의 엽록소 분자가 그 역할을 하는 "늑대의 구멍"에 들어가는 순간 끝납니다. 빛에 의해 여기된 많은 여기자로부터 에너지가 전달되는 것은 이 선택된 분자에 있습니다. 넓은 영역에서 수집된 빛 에너지는 미세한 영역에 집중되어 "광자를 위한 깔때기"가 얻어집니다. 이 깔때기는 소수의 엑시톤 인터셉터 분자가 산재되어 있는 광흡수 분자의 단층을 사용하여 모델링할 수 있습니다. 엑시톤을 포착한 후 인터셉터 분자는 특성 스펙트럼으로 빛을 방출합니다. 이러한 단층은 그림 1에 나와 있습니다. 12a. 조명을 받으면 광 흡수체와 분자 - 여기자의 인터셉터 두 분자의 발광을 관찰할 수 있습니다. 두 가지 유형의 분자의 발광 밴드의 강도는 거의 동일하지만(그림 12b), 그 수는 2 ... 3 배 정도 다릅니다. 이것은 에너지 집중에 대한 메커니즘, 즉 광자 깔때기의 효과가 있음을 증명합니다.

오늘날 과학 문헌은 2차원 자석을 만드는 것이 가능한가?라는 질문에 대해 적극적으로 논의하고 있습니다. 그리고 물리적인 측면에서 우리는 동일한 평면에 위치한 분자 자기 모멘트의 상호 작용이 자발적인 자화를 초래할 근본적인 가능성이 있는지 여부에 대해 이야기하고 있습니다. 이를 해결하기 위해 망간과 같은 전이금속의 원자를 양친매성 인어 분자에 도입한 후 Blodgett법으로 단층을 얻어 저온에서 자기 특성을 연구한다. 첫 번째 결과는 2차원 시스템에서 강자성 정렬의 가능성을 나타냅니다. 그리고 Langmuir 필름의 특이한 물리적 특성을 보여주는 또 하나의 예입니다. 분자 수준에서 정보를 한 단층에서 이웃하는 다른 단층으로 전달할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 그 후, 인접한 단층이 분리될 수 있으므로 첫 번째 단층에 "기록된" 사본을 얻을 수 있습니다. 이것은 다음과 같이 수행됩니다. 예를 들어, Blodgett 방법으로 전자빔과 같은 외부 요인의 영향으로 쌍을 이룰 수 있는 - 이량체화 - 분자의 단층을 얻었다고 가정합니다(그림 13). 우리는 쌍을 이루지 않은 분자를 0으로 간주하고 쌍을 이루는 분자를 이진 정보 코드의 단위로 간주합니다. 예를 들어 이러한 0과 1을 사용하면 짝을 이루지 않은 분자와 짝을 이루는 분자의 흡수 대역이 다르기 때문에 광학적으로 읽을 수 있는 텍스트를 작성할 수 있습니다. 이제 Blodgett 방법을 사용하여 이 단층에 두 번째 단층을 적용합니다. 그런 다음 분자간 상호 작용의 특성으로 인해 분자 쌍은 정확히 동일한 쌍을 끌어 당기고 고독한 분자는 고독한 것을 선호합니다. 이 "관심 클럽"의 작업 결과 정보 그림은 두 번째 단층에서 반복됩니다. 상부 단층과 하부 단층을 분리하여 사본을 얻을 수 있습니다. 이 복제 과정은 DNA 분자에서 정보를 복제하는 과정과 매우 유사합니다. 유전자 코드- 살아있는 유기체의 세포에서 단백질 합성 부위로 정보를 전달하는 RNA 분자.

결론

LB 방법이 아직 널리 구현되지 않은 이유는 무엇입니까? 겉으로 보이는 길에는 함정이 있기 때문입니다. LB 기술은 외견상 단순하고 저렴하지만(초고진공, 고온 등) 초기에는 특히 클린룸을 만드는 데 상당한 비용이 필요합니다. 돌이킬 수 없는 결함입니다.... 고분자 물질의 단층 구조는 용액이 욕조에 적용하기 위해 준비되는 용매의 유형에 따라 크게 달라집니다.

이제 Langmuir 기술을 사용하여 나노구조의 설계 및 생산을 계획하고 수행할 수 있는 원리에 대한 이해에 도달했습니다. 그러나 이미 제조된 나노소자의 특성을 연구하기 위한 새로운 방법이 필요하다. 따라서 이러한 재료의 물리화학적 특성과 구조적 조건을 지배하는 법칙을 더 깊이 이해해야만 나노구조의 설계, 제조 및 조립에서 더 많은 진전을 이룰 수 있습니다. X선 및 중성자 반사 측정 및 전자 회절은 전통적으로 LB 필름을 연구하는 데 사용됩니다. 그러나 회절 데이터는 항상 방사선 빔이 초점을 맞추는 영역에 대해 평균화됩니다. 따라서 그들은 현재 원자력과 전자 현미경으로 보완됩니다. 마지막으로 구조 연구의 가장 최근 발전은 싱크로트론 소스의 출시와 관련이 있습니다. LB bath와 X-ray diffractometer가 결합된 스테이션이 만들어지기 시작했으며, 이로 인해 수면에 형성되는 과정에서 단층의 구조를 직접 조사할 수 있습니다. 나노과학 및 나노기술의 발전은 아직 초기 단계에 있지만 잠재력 전망은 넓고 연구 방법은 지속적으로 개선되고 있으며 앞으로의 작업은 열린 가장자리가 아닙니다.

문학

단층 필름 langmuir bloggett

1. 블리노프 L.M. " 물리적 특성및 Langmuir 단분자 및 다중 분자 구조의 사용 ". 화학의 발전. t.52, 8번, p. 1263 ... 1300, 1983.

2. 블리노프 L.M. "Langmuir Films" Uspekhi fizicheskikh nauk, vol.155, no.3 p. 443 ... 480, 1988.

3. 사본 I.E. 졸업작품// Langmuir 필름의 특성 및 준비에 대한 조사. 모스크바 2010 p. 6-14

유사한 문서

표면장력의 개념과 성질. 온도에 대한 표면 에너지 매개변수의 의존성. 흡착. 표면 활동. 계면 활성제 및 불활성 물질. 단분자 흡착. Langmuir 흡착 등온선

2015년 11월 30일에 추가된 프레젠테이션

실리콘의 양극 산화 메커니즘. 이온 주입 및 수소 전달 방법으로 형성된 막의 두께가 전기 물리적 특성에 미치는 영향. 양극 산화 조건에서 절연체 상의 실리콘 구조의 전기물리학적 특성.

2013년 9월 29일에 추가된 논문

용량성 고주파 방전: 일반 정보, 유형, 흥분의 방법, 가장 단순한 모델의 구성, 존재의 형태. 간략한 이론 Langmuir 프로브 방법. 방전 매개변수를 결정하기 위한 방정식 시스템. 방전 전류 측정.

2011년 4월 30일에 추가된 논문

다공성 물질의 특성 연구. 연구 변화 유전 특성및 Al2O3에 혼입된 Rochelle 염 및 트리글리신 설페이트의 상전이 온도. 알루미늄을 아노다이징하여 나노미터 기공을 갖는 산화막을 얻습니다.

2012년 9월 28일에 추가된 논문

원자로 플랜트의 목적과 범위, 기술 사양및 속성 분석. 현대화 된 유압 회로, 고유 한 특징그리고 구조. 설치의 중성자 물리적 계산, 다양한 방법으로 구현.

학기 논문, 2016년 2월 11일 추가됨

에어로졸의 개념, 응집, 분산 및 기원 상태에 따른 분류. 에어로졸의 광학, 전기 및 분자 운동 특성. 거품 미세 이질성, 필름 형성. 특성, 형성 방법, 거품 파괴.

2015년 8월 17일에 추가된 프레젠테이션

복합 필름 코팅의 증착 화학적 구성 요소(산화물, 질화물, 금속). 마그네트론 증착 문제. 마그네트론 방전의 불안정한 전력과 압력이 성막 과정에 미치는 영향 조사, 실험 결과.

논문, 2013년 5월 19일 추가됨

분자빔 에피택시 과정에서 필름의 표면 구조를 분석하는 방법으로서 고속 전자의 반사 회절. 약하게 배향된 실리콘 표면에 대한 실리콘 및 게르마늄 필름의 두께의 온도 의존성 분석.

학기 논문, 2011년 6월 7일 추가됨

액체의 표면 활성을 연구하기 위한 물리화학적 방법. Langmuir-Blodgett 장벽 시스템을 사용한 연구와 라우레이트, 카프릴산 칼륨 및 카프릴산의 1성분 용액에서 형성 역학의 Wilhelmy 균형.

학기 논문 추가 11/11/2014

다양한 기능적 목적을 위해 코팅의 광학적 두께를 제어하는 방법에 대한 전망. 전자빔 합성에 의해 형성된 내화 산화물을 기반으로 한 광학 코팅의 두께 제어. 간섭 코팅 계산.

Catherine Burr Blodgett는 1898년 1월 10일 뉴욕주 스케넥터디(뉴욕주 스케넥터디)에서 가족의 두 번째 자녀로 태어났습니다. 그녀의 아버지는 제너럴 일렉트릭(GE)의 변리사였으며 실제로 그는 특허 부서장이었습니다. 그는 캐서린이 태어나기 전에 집에서 강도에게 총에 맞아 사망했습니다. GE는 범인을 잡기 위해 5000달러를 제시했다. 뉴욕주 세일럼의 한 교도소에서 용의자가 목을 매긴 채 발견됐다. Catherine, 그녀의 형제 George Jr.와 그들의 어머니는 1901년에 프랑스로 이주했습니다.

1912년 Blodgett는 뉴욕으로 돌아와 사립학교를 다녔고 당시 많은 소녀들이 박탈당한 우수한 교육을 받았습니다. 어린 시절부터 Katherine은 수학적 재능을 보여 Bryn Mawr College에서 수학과 물리학에서 뛰어난 장학금을 받았습니다. 1917년에 그녀는 대학에서 학사 학위를 받았습니다.

계속하기로 결정 과학적 연구 Blodgett는 크리스마스에 GE의 공장 중 한 곳을 방문했습니다. 그곳에서 그녀의 아버지의 전 동료들은 그녀를 화학자 Irving Langmuir에게 소개했습니다. 그의 연구실을 둘러본 후 Langmuir는 18세 Blodgett에게 그가 일할 수 있도록 계속 자신의 지식을 쌓아야 한다고 말했습니다.

조언을 받아 캐서린은 1918년 시카고 대학에 입학하여 논문 주제로 "방독면"을 선택했습니다. 당시 제1차 세계 대전이 한창 진행 중이었고 특히 독성 물질로부터 군대를 보호해야 했습니다. Blodgett는 거의 모든 유독 가스가 탄소 분자에 의해 흡수될 수 있다는 것을 확립할 수 있었습니다. 그녀가 Physical Review에 방독면에 관한 연구 논문을 발표했을 때 그녀는 겨우 21세였습니다.

1924년에 Blodgett는 물리학 분야의 철학 박사 준비 프로그램에 포함되었습니다. 그녀는 이온화된 수은 증기에서 전자의 거동에 관한 논문을 썼습니다. 캐서린은 1926년 오랫동안 기다려온 박사 학위를 받았습니다. 그녀는 마스터가 되자마자 "GE" 기업에 바로 합격했다. 연구원... Langmuir에 배정된 Blodgett는 그와 함께 물, 금속 또는 유리 표면을 덮도록 설계된 단분자 필름을 제작했습니다. 이 특수 필름은 기름기가 많았고 두께가 불과 몇 나노미터에 불과했습니다.

1935년 캐서린은 단분자 필름을 한 번에 하나씩 퍼뜨리는 방법을 개발했습니다. 그녀는 수정된 스테아르산 바륨을 사용하여 유리를 44개의 단분자 층으로 코팅하여 투과성을 99% 이상 높였습니다. 이것이 현재 Langmuir-Blodgett 필름이라고 불리는 "보이지 않는 유리"가 만들어진 방법입니다.

그녀의 경력 동안 Blodgett는 8개의 미국 특허를 받았고 다양한 저널에 30개 이상의 과학 논문을 발표했습니다. 그녀는 항공기 날개의 결빙 방지 시스템인 유독 가스의 흡착 청소 방법을 발명하고 연막과 같은 군용 위장 유형을 개선했습니다.

캐서린은 결혼한 적이 없습니다. 수년 동안 그녀는 오래된 Schenectady 가족의 대표인 Gertrude Brown과 "보스턴 결혼"(레즈비언 관계)에서 행복하게 살았습니다. Brown 이후, Blodgett는 여학교 교장인 Elsie Errington과 함께 살았습니다. Catherine은 연극을 좋아했고 공연에서 연주했으며 정원 가꾸기와 천문학을 사랑했습니다. 그녀는 골동품을 수집하고, 친구들과 다리 놀이를 하고, 재미있는 운율을 썼습니다. 블로젯은 1979년 10월 12일 자택에서 사망했습니다.

그렇지 않으면 Langmuir-Blodgett 필름; Langmuir-Blodgett 방법(eng. 약어, LB) - 고체 Langmuir 필름(액체 표면에 형성된 화합물의 단층)에 전사하여 단분자 및 다분자 필름을 얻는 기술.

설명

단분자 및 다분자 필름을 형성하는 방법은 1930년대 Irving Langmuir와 그의 학생 Katharina Blodgett에 의해 개발되었습니다. V 현재 시제 이 기술, Langmuir-Blodgett 방법이라고 하는, 현대 전자 장치의 생산에 적극적으로 사용됩니다.

이 방법의 주요 아이디어는 수면에 양친매성 물질의 단분자 층을 형성하고 고체 기질로의 후속 이동입니다. 수상에서 양친매성 물질의 분자는 공기-물 계면에 위치합니다. 표면 단분자 층을 형성하기 위해 표면 층은 특수 피스톤을 사용하여 압축됩니다(그림 1 참조). 연속적인 등온 압축에 의해, 단분자막의 구조가 변화하고, 이는 통상적으로 기체, 액정 및 고체 결정의 상태라고 하는 다수의 2차원 상태를 통과한다(그림 2 참조). 따라서 필름의 위상 다이어그램을 알면 그 구조와 관련된 물리화학적 특성을 제어할 수 있습니다. 고체 지지체로 필름을 옮기는 것은 용액에 담그고 표면 필름이 발생하는 평평한 기판을 제거하여 수행됩니다. 단분자 필름 전사 공정은 여러 번 반복될 수 있으므로 다른 다분자 층을 얻을 수 있습니다.

삽화

저자

에레민 바딤 블라디미로비치
슐랴크틴 올렉 알렉산드로비치
스트렐레츠키 알렉세이 블라디미로비치

자원

Langmuir – Blodgett 영화 // Wikipedia, 무료 백과사전. - http://en.wikipedia.org/wiki/Langmuir%E2%80%93Blodgett_film (액세스 날짜: 01.08.2010).

Langmuir-Blodgett 영화 용어( 랑뮤어— 블로젯 영화)는 물-공기 계면(일반적으로 액체-공기)에서 고체 기판으로 전달된 단층 또는 다층 필름을 나타냅니다. 물과 공기의 경계면에 있는 분자막을 Langmuir 막이라고 합니다. 물-공기 계면에서 양친매성 분자의 단층에 대한 최초의 체계적인 연구는 1917년 Langmuir에 의해 수행되었습니다. Blodgett, 1935. 유기막이 있는 표면의 액체에 침지(또는 들어올림)하여 LB막을 물리적으로 증착하는 방법을 LB 증착이라고 합니다. 탈이온수가 액체 매질로 가장 일반적으로 사용되지만 글리세린 및 수은과 같은 다른 액체도 사용할 수 있습니다. 모든 유기 불순물은 여과(활성탄 필터를 통해)를 통해 수면에서 제거되어야 합니다.

쌀. 3.23. GaAs 양자점에서 자체 조립된 InAs의 주사 터널링 현미경 이미지(각 점은 높이가 6nm이고 기본 직경이 30nm임)

단층이 LB 방법에 의해 전달되고 물과 상호 작용(물에 용해)되고 젖거나 팽창하는 물질을 친수성... 물과 상호 작용하지 않는(용해되지 않는) 물질, 젖지 않거나 팽창하지 않는 물질 소수성... 대개 양친매성이 물질은 물과 지방 모두에 용해되지만 이 경우 양친매성물에 녹지 않는 분자이다. 이러한 분자의 한쪽 말단은 친수성이므로 바람직하게는 물에 침지되고 다른 말단은 소수성이므로 바람직하게는 공기(또는 비극성 용매)에 침지된다.

양친매성 물질의 전형적인 예는 긴 탄화수소 "꼬리"(C 17 H 35 -)가 있는 스테아르산(C 1 7 H 35 CO 2 H)입니다. 는 소수성이며 주(머리) 카르복실기( - CO 2 H) 친수성이다. 양친매성 물질은 하나의 친수성 말단을 가지고 있기 때문에(" 머리"- 머리), 다른 쪽 끝은 소수성(" 꼬리"-꼬리), 그들은 공기-물 또는 기름-물과 같은 인터페이스에 위치하는 것을 선호합니다. 이러한 이유로 표면 활성( 계면활성제).

LB 필름의 고유한 특성은 비결정성 물질의 단단한 표면에 질서정연한 구조... 이를 통해 단층을 다양한 기판으로 전송할 수 있습니다. 대부분의 경우 단층이 전사될 때 친수성 표면을 가진 기판을 사용합니다.

끈으로 묶인 ( 취소) 형태. 유리, 석영, 알루미늄, 크롬, 주석(후자는 산화된 형태, 예를 들어 Al 2 O 3 Al), 금, 은 및 반도체 재료(실리콘, 갈륨 비소 등)와 같은 재료를 사용할 수 있습니다. 일반적인 실험은 30% 과산화수소와 진한 황산(30/70wt%)의 혼합물에서 90°C에서 30분 동안 끓임으로써 정제된 실리콘 웨이퍼를 사용합니다. 표면 처리의 유형에 따라 기질은 친수성 또는 소수성이 될 수 있습니다. 갓 쪼개진 운모로 만든 기질은 흥미롭습니다. 그들은 원자적으로 매끄러운 표면을 가지며 독립적으로 LB 실험에서 그리고 원자적으로 평평한 Au 표면의 제조에 널리 사용됩니다.

물-공기 계면에서 고체 기판으로 단층을 전달하는 방법에는 두 가지 알려진 종류가 있습니다. 첫 번째, 가장 일반적인 옵션은 수직 침강 Blodgett와 Langmuir에 의해 처음 시연되었습니다. 그들은 판의 수직 변위에 의해 물-공기 계면에서 양친매성 물질의 단층이 증착될 수 있음을 보여주었다(그림 3.24).

쌀. 3.24. Langmuir-Blodgett 방법에 의한 다층 필름 제조 장치(a) 및 그 형성 방법(b)

기판이 물-공기 계면에서 단층을 통해 이동할 때 단층은 부유(상승) 또는 침지(하강) 과정에서 수송될 수 있습니다. 단층
기질 표면이 친수성인 경우 일반적으로 부유 중에 전사됩니다. 기판의 표면이 소수성인 경우 소수성 알킬 사슬이 표면과 상호 작용하기 때문에 침지 중에 단층이 이동할 수 있습니다. 친수성 기판으로 증착 공정을 시작하면 첫 번째 단층이 증착된 후 소수성이 되어 두 번째 단층이 침지됩니다. 이 방법은 머리 부분(" 머리») 그룹은 높은 친수성( - UNSD, - PO 3 H 2 등)이고 다른 쪽 끝("꼬리")은 알킬 사슬입니다.

이 과정을 반복하여 다음 레이어를 추가할 수 있습니다. Blodgett는 이러한 유형의 침전을 와이- 퇴적 유형, 그리고 영화 - 와이-영화... 이러한 필름은 기판이 있는 방향에 따라 소수성 또는 친수성 표면을 갖습니다. 마지막으로단층을 통과했습니다. 그러나 소수성 표면(예: 순수한 실리콘 표면)이 공기에서 물로 통과하면 소수성 끝이 표면에 결합됩니다.

장치는 물의 코팅되지 않은 부분에서 기판을 이동시키고 그것을 물의 필름 코팅된 영역에 담그도록 설계될 수 있으며, 따라서 기판에 헤드-투-테일 시퀀스를 생성합니다. 이 방법은 X-형 증착 및 동일하게 배향된 단층으로 구성된 필름을 X-필름이라고 합니다.... 여기서 필수적인 것은 다음과 같습니다.

· 첫째, 이 증착 방법은 제어하기 쉽습니다.

· 둘째, 필름의 두께는 분자의 길이에 의해 정확하게 결정됩니다.

· 마지막으로 X형 증착은 중심대칭이 아니므로 비선형 광학 장치에 매우 중요합니다.

강한 친수성 헤드 그룹의 경우 이 침전 방법이 가장 안정적입니다. 그 이유는 인접한 단층이 소수성과 -소수성 또는 친수성과 친수성이 상호 작용하기 때문입니다. (그림 3.25). 간섭 무늬로 판단하면 이러한 필름은 수백 개의 단층을 포함할 수 있습니다.

쌀. 3.25. Y형, X형 및 Z형 필름의 개략도(a)

연속적으로 적용된 단층은 고정된 방향을 갖지 않는 것으로 보입니다. X- 및 Y-바륨 스테아레이트 오버빌드된 바륨 스테아레이트 필름에 대한 현재 고전적인 X-선 연구에서 Ehlert는 두 유형의 필름에서 내부 배향이 다음과 같이 결론지었습니다. 는 ~와 마찬가지로... Y-구조가 더 안정적이라고 가정합니다.

침지(immersion)에 의해서만 형성될 수 있는 필름은 일반적으로 X형 필름이다. 세 번째 유형에 따라 증착이 발생하며, 리프팅 중에만 필름이 형성되는 경우(Z형 필름)입니다.

헤드 그룹이 명확하게 친수성이 아닌 변형이 있습니다(예: - СООМе) 또는 알킬 사슬이 약한 극성기로 끝나는 경우(예: - 아니오 2). 두 경우 모두 인접한 두 단층 간의 상호 작용은 "친수성-소수성"이므로 이러한 층은 Y형 시스템의 경우보다 덜 안정적입니다. 그러나 에스테르와 같은 상대적으로 비극성인 양친매성 물질의 X형 증착은 정렬된 필름을 생성하는 반면 Y형 증착은 병리학적입니다. 또한 X형 및 Z형 증착은 중심대칭이 아니므로 NLO 애플리케이션(비선형 광학)에서 중요합니다. 마지막으로, X-, Y- 및 Z-유형의 증착이 반드시 X-, Y- 및 Z-유형의 형성으로 이어지는 것은 아니라는 점에 유의해야 합니다.

이와 관련하여 투과 계수의 개념이 도입되어야 합니다. Blodgett가 언급한 것처럼 유리 표면에 증착될 수 있는 양친매성 물질의 양은 여러 요인에 따라 달라집니다. 전달 계수는 A / A s 비율로 정의됩니다. 여기서 A s는 단층으로 덮인 기질의 면적이고 Ai는 물 - 공기 계면에서 이 단층이 차지하는 면적의 감소입니다(일정한 압력). 이상적인 Y형 필름은 영구적인

두 증착 경우(기판이 위아래로 움직일 때)에서 1과 동일한 투과 계수. 따라서 이상적인 X형 필름은 투과 계수가 잠겨 있을 때 항상 1이고 들어올릴 때 0인 적층 시스템으로 정의할 수 있습니다. 실제로는 이상적인 공식과 편차가 있습니다.
.

유기층은 액체-기체 계면에서 단단한 표면수직으로 담그거나 들어올리는 동안의 기판(그림 3.26). 앞서 나타낸 바와 같이, 이 증착에 사용된 유기 분자는 두 가지 유형의 작용기로 구성됩니다. 한쪽 끝은 친수성입니다. 예를 들어, 산성 또는 알코올 기를 포함하는 탄화수소 사슬은 물에 용해되고 다른 쪽 끝은 소수성으로 다음을 포함합니다. 예를 들어, 불용성 탄화수소 그룹. 결과적으로 분자는 물 쪽의 친수성 끝과 공기 쪽의 소수성 끝이 있는 물 표면에 막을 형성합니다. 또한, 이러한 필름은 이동 장벽에 의해 압축되어 액체 표면에 연속적인 단층을 형성할 수 있습니다.

쌀. 3.26. Langmuir-Schaefer 방법의 개략도

고체 기판이 감속기에 의해 지정된 특정 속도로 이동하면 유기 필름이 고체 기판의 표면에 부착되어 공기-물 계면을 통과합니다. 따라서 유리판을 물 위의 스테아르산 바륨 단층을 통해 들어 올리면 소수성 표면이 바깥쪽으로 향하는 판에 필름이 부착됩니다. 필름으로 코팅된 기판의 표면은 스테아르산 바륨 자체의 표면보다 훨씬 더 소수성입니다. 그런 다음 플레이트가 필름으로 덮인 표면을 통해 다시 잠기면 두 번째 층이 "백투백" 위에 증착됩니다.

명백한 단순성에도 불구하고 LB 방법에 의한 다층 필름의 생산은 간단하고 쉽게 재현할 수 있는 공정이 아닙니다. 조심해

영화 제작의 가장 작은 세부 사항에 대한 제어(대기압, 온도, 습도, 대기 오염의 존재 등)

또 다른 생성 방법LB- 다층구조 - 수평인양공법(쉐퍼’ NS방법), "수평 리프트" 1938년 Langmuir와 Scheifer에 의해 개발되었습니다. Schaifer 방법은 매우 단단한(뻣뻣한) 필름의 증착에 유용합니다. 이 경우 압축된 단층이 먼저 물-공기 계면에서 형성됩니다(그림 3.26, a). 그런 다음 평평한 기판을 단층 필름에 수평으로 놓습니다(그림 3.26, b, c). 이 기질이 떠오르고 수면에서 분리될 때, 단층은 이론상 분자의 동일한 방향(X-형)을 유지하면서 기질로 이동합니다(그림 3.26, d).

그러나 지금까지 이 방향의 성공에 대한 출판물은 없습니다. 고분자 양친매성 물질의 단층은 점도가 높기 때문에 수평 증착에 좋은 후보로 예상할 수 있습니다.

한 번 실용적인 문제해결되면 Scheifer 방법은 상당한 이점으로 인해 널리 적용될 것입니다. 첫 번째 장점은 필름 점도가 증가해도 수평 증착 속도가 감소하지 않으므로 열적으로 안정적인 단층을 제공하는 폴리머 필름을 사용할 수 있다는 것입니다. 두 번째 장점은 다양한 응용 분야에서 사용할 수 있는 비중심대칭 X형 다층막을 형성할 수 있다는 점입니다. 지금까지 세 번째이자 가장 중요한 이점은 설계 능력입니다. 유기 초격자.

아래에 초격자우리는 새로운 물리적 특성을 나타내고 다른 유형의 유기 분자의 단분자 층 증착 과정을 반복하여 생성되는 밀집되고 정렬된 3차원 분자 형성을 이해합니다.

분자 수준에서 물질을 생성하는 이 방법(분자 공학)은 다양한 기능을 가진 초격자를 제작할 수 있기 때문에 흥미롭습니다. 이러한 초격자는 분자 통합 장치를 설계하는 데 사용할 수 있습니다. 다른 층이 수행할 수 있기 때문입니다. 다양한 기능, 증폭, 광학 처리, 전자 전송 등과 같은

고려된 방법의 높은 잠재력에도 불구하고 LB 필름이 아직 전통적인 방법을 기반으로 만든 재료와 경쟁할 수 없다는 사실 때문에 현재 널리 적용되지 않습니다. 또한 이러한 필름의 열 및 장기 안정성에 대한 질문은 여전히 열려 있습니다.

소개

Langmuir-Blodgett 영화는 근본적으로 현대 물리학의 새로운 대상이며 그 속성 중 하나가 특이합니다. 동일한 단층으로 구성된 단순한 필름조차도 특수하게 구성된 분자 어셈블리는 말할 것도 없이 많은 고유한 기능을 가지고 있습니다. Langmuir-Blodgett 필름은 전자, 광학, 응용 화학, 미세 역학, 생물학, 의학 등 다양한 과학 및 기술 분야에서 다양한 실용적인 응용 프로그램을 찾습니다. Langmuir 단층은 정렬된 2차원의 물리적 특성을 연구하기 위한 모델 개체로 성공적으로 사용 구조. Langmuir-Blodgett 방법을 사용하면 단층의 표면 특성을 아주 간단하게 변경하고 고품질 필름 코팅을 형성할 수 있습니다. 이 모든 것은 결과 필름의 두께의 정밀한 제어, 코팅의 균일성, 낮은 거칠기 및 높은 조건이 선택되면 표면에 대한 필름의 접착력으로 인해 가능합니다. 필름의 특성은 또한 양친매성 분자의 극성 헤드 구조, 단층의 조성, 분리 조건(하위상의 조성 및 표면 압력)을 변경하여 쉽게 변경할 수 있습니다. Langmuir-Blodgett 방법을 사용하면 생물학적 활성을 포함하는 다양한 분자와 분자 복합체를 단층에 삽입할 수 있습니다.

1.
Langmuir 영화 발견의 역사

이 이야기는 저명한 미국 과학자이자 존경받는 외교관인 벤자민 프랭클린의 많은 취미 중 하나에서 시작됩니다. 1774년 유럽에서 영국과 북미 국가 간의 또 다른 분쟁을 해결하는 동안 Franklin은 여가 시간에 수면에 유막을 만드는 실험을 했습니다. 과학자는 0.5에이커(1에이커 ≈ 4000 m 2) 면적의 연못 표면에 한 숟가락의 기름만 퍼진다는 사실이 밝혀졌을 때 꽤 놀랐습니다. 결과 필름의 두께를 계산하면 10 나노 미터 (1 nm = 10 -7 cm)를 초과하지 않는 것으로 나타났습니다. 즉, 필름은 분자의 단 하나의 층을 포함합니다. 그러나 이 사실은 100년이 지나서야 깨달았다. Agnes Pockels라는 호기심 많은 영국 여성은 자신의 욕조에서 유기 불순물, 간단히 말해 비누로 오염된 물의 표면 장력을 측정하기 시작했습니다. 연속적인 비누막은 표면장력을 현저히 낮추는 것으로 밝혀졌습니다(단위 면적당 표면층의 에너지임을 상기하십시오). Pockels는 유명한 영국 물리학자이자 수학자인 Lord Rayleigh에게 자신의 실험에 대해 썼습니다. 그런 다음 Rayleigh 자신은 Pockels의 실험을 재현하여 다음과 같은 결론에 도달했습니다. "관찰된 현상은 라플라스 이론을 뛰어넘고 설명은 분자적 접근이 필요합니다." 다시 말해, 비교적 단순한 현상학적 고려가 불충분한 것으로 판명되었으며, 그 다음에는 명백하지 않고 일반적으로 받아 들여지지 않는 물질의 분자 구조에 대한 아이디어를 포함할 필요가 있었습니다. 곧 미국 과학자이자 엔지니어인 Irving Langmuir(1881… 1957)가 과학계에 나타났습니다. 그의 전체 과학 전기는 "물리학자는 모든 것을 이해하지만 아무것도 모르는 사람"이라는 잘 알려진 "정의"를 반박합니다. 반대로 화학자는 모든 것을 알고 아무 것도 이해하지 못하는 반면, 물리 화학자는 알지 못하고 이해하지 못합니다. Langmuir는 단순하고 사려 깊은 물리 화학 분야의 업적으로 노벨상을 수상했습니다. 열이온 방출, 진공 기술 및 흡수 분야에서 Langmuir가 얻은 고전적인 결과 외에도 그는 표면 필름의 단분자 특성을 확인하고 분자의 방향과 특정 영역을 결정할 수 있게 하는 많은 새로운 실험 방법을 개발했습니다. 그들에 의해 점령. 또한 Langmuir는 물 표면에서 고체 기질로 1분자 두께의 필름(단일층)을 최초로 전사했습니다. 그 후 그의 학생인 Katharina Blodgett는 단일층을 차례로 다중 전사하는 기술을 개발하여 현재 Langmuir-Blodgett 필름이라고 하는 단단한 기판에서 적층 구조 또는 다중층을 얻을 수 있습니다. 수면에 있는 단층의 경우 "Langmuir 필름"이라는 이름이 종종 유지되지만 다층 필름과 관련하여도 사용됩니다.

2. 인어 분자

상당히 복잡한 분자에는 자체 중독이 있음이 밝혀졌습니다. 예를 들어, 일부 유기 분자는 물과 접촉하는 것을 "좋아"하지만 다른 유기 분자는 그러한 접촉을 피하고 물을 "두려워"합니다. 그들은 각각 친수성 및 소수성 분자라고합니다. 그러나 인어와 같은 분자도 있습니다. 한 부분은 친수성이고 다른 부분은 소수성입니다. 인어 분자는 스스로 문제를 해결해야 합니다. 물에 있어야 하는지 여부(수용액을 준비하려는 경우)입니다. 발견 된 솔루션은 진정한 솔로몬으로 판명되었습니다. 물론 물 속에는 있지만 절반 만 있습니다. 인어 분자는 물 표면에 위치하여 친수성 머리(일반적으로 분리된 전하-전기 쌍극자 모멘트)가 물 속으로 낮아지고 소수성 꼬리(보통 탄화수소 사슬)가 물 속으로 돌출됩니다. 주변 기체 매질(그림 1) ...

3.
Langmuir 영화의 종류

단층을 고체 기질로 옮기는 두 가지 방법이 있는데, 두 가지 모두 문자 그대로 맨손으로 할 수 있기 때문에 의심스러울 정도로 간단합니다.

양친매성 분자의 단층은 Langmuir-Blodgett 방법(위) 또는 Schaeffer 방법(아래)에 의해 수면에서 고체 기질로 이동할 수 있습니다. 첫 번째 방법은 수직으로 움직이는 기질로 단층을 "피어싱"하는 것으로 구성됩니다. 이를 통해 X-(기질을 향한 분자 꼬리)와 Z-형(역방향)의 레이어를 모두 얻을 수 있습니다. 두 번째 방법은 단순히 수평으로 배향된 기판으로 단층을 만지는 것입니다. 그것은 X 형 단층을 제공합니다. 첫 번째 방법은 Langmuir와 Blodgett에 의해 발명되었습니다. 단층은 부동 장벽의 도움으로 액정으로 변환되어 2차원 액정 상태가 된 다음 문자 그대로 기판으로 관통됩니다. 이 경우 필름이 전사될 면이 수직으로 배향됩니다. 기질에서 인어 분자의 방향은 기질이 단층을 통해 물로 낮아지거나 반대로 물에서 공기로 올라오는지에 따라 다릅니다. 기질이 물에 잠기면 "인어"의 꼬리가 기질을 향하고(Blodgett는 이 구조를 X형 단층이라고 함), 당겨지면 반대로 기질(Z- 유형 단층), 그림. 2a. 다른 조건에서 하나의 단층을 다른 단층으로 반복함으로써 대칭이 서로 다른 세 가지 유형(X, Y, Z)의 다층 스택을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, X 및 Z 유형의 다층(그림 3)에는 반사 중심이 없습니다. 및 음전하, 즉 분자의 전기 쌍극자 모멘트의 방향에 따라 달라집니다. Y형 다층은 이중층 또는 이중층(생물학적 막과 유사하게 구성됨)으로 구성되며 중심 대칭인 것으로 판명되었습니다. X, Z 및 Y 유형의 다층 구조는 기판에 대한 분자의 방향이 다릅니다. 모든 분자가 한 방향으로 "보이기" 때문에 X 및 Z 유형의 구조는 극성입니다.

쌀. 3. X형과 Z형의 구조

구조는 생물학적 막 장치를 연상시키는 비극성 이중층 포장에 해당합니다. 두 번째 방법은 역시 Langmuir의 학생인 Schaeffer가 제안한 것입니다. 기판은 거의 수평으로 배향되고 고체 상태로 유지되는 단층과 가벼운 접촉이 이루어집니다(그림 2b). 단층은 단순히 기판에 달라붙습니다. 이 작업을 반복하면 X형 다층을 얻을 수 있습니다. 그림에서 도 4는 기판이 서브페이즈로부터 들어올려질 때 단층의 증착 과정을 보여준다: 양친매성 분자의 친수성 헤드가 기판에 "접착"한다. 기질이 공기에서 하위상으로 내려오면 분자는 탄화수소 꼬리로 기질에 "붙어" 붙습니다.

... 영화 제작을 위한 설비

Langmuir 설치의 일반 블록 다이어그램

1 - Langmuir 목욕 2 - 투명 밀봉 상자;

거대한 금속 베이스 플레이트; 4 - 완충기;

움직일 수 있는 장벽; 6 - Wilhelmy의 균형; 7 - Wilhelmy 균형 판; 8 - 기판; 9 - 배리어(5)의 전기 구동 - 기판(8)의 전기 구동, II - 연동 펌프 - 전력 증폭기가 있는 ADC/DAC 인터페이스

개인용 컴퓨터 IBM PC / 486.

설치는 특수 프로그램을 사용하여 개인용 컴퓨터를 통해 제어됩니다. 표면 압력을 측정하기 위해 Wilhelmy 저울이 사용됩니다(단일층의 표면 압력 p는 깨끗한 물 표면과 계면활성제 단일층으로 덮인 표면의 표면 장력의 차이입니다). 사실, Wilhelmy의 저울은 F = F 1 + F 2 힘을 측정하는데, 이 힘으로 물에 적신 판을 물 속으로 끌어당깁니다(그림 7 참조). 여과지 조각이 젖은 판으로 사용됩니다. Wilhelmy 저울의 출력 전압은 표면 압력 p와 선형적으로 관련되어 있습니다. 이 전압은 컴퓨터에 설치된 ADC의 입력으로 이동합니다. 단층 면적은 가변 저항기를 사용하여 측정되며 전압 강하는 이동 장벽의 좌표 값에 정비례합니다. 가변 저항기의 신호는 ADC 입력에도 공급됩니다. 다층 구조의 형성과 함께 수면에서 고체 기판으로 단층의 순차적 전달을 구현하기 위해 기판을 천천히(분당 몇 mm의 속도로) 낮추고 들어 올리는 기계적 장치(10)가 사용됩니다. (8) 단층 표면을 통해. 단층이 기판에 연속적으로 전달됨에 따라 수면에서 단층을 형성하는 물질의 양이 감소하고 이동 장벽(5)이 자동으로 이동하여 표면 압력을 일정하게 유지합니다. 이동식 배리어(5)는 전력 증폭기를 통해 출력되는 DAC에서 해당 모터로 공급되는 전압을 사용하여 컴퓨터를 통해 제어됩니다. 인쇄물의 이동은 인쇄물 속도의 거칠고 부드러운 조정을 위해 노브를 사용하여 제어판에서 제어됩니다. 공급 전압은 전원 공급 장치에서 제어 패널로 공급되고 거기에서 전력 증폭기를 통해 리프팅 메커니즘의 전기 모터로 공급됩니다.

자동 설치 KSV 2000

쌀. 8. KSV 2000 설치도

쌀. 10. 세포 구획

설치 사양:

기판의 최대 크기는 100*100mm입니다.

필름 증착 속도 0.1-85 mm/min

증착 사이클 수 1 이상

사이클의 필름 건조 시간 0-10 4초

표면 측정 범위 0-250mN/m

압력

측정 정확도 5μN/m

표면 압력

큰 설치 구획의 면적은 775 * 120 mm입니다

하위 단계 볼륨 5.51 l

하위 단계의 온도 제어 0-60 ° С

배리어 속도 0.01-800mm/분

5. Langmuir-Blodgett 영화의 품질에 영향을 미치는 요소

Langmuir-Blodgett 필름의 품질 계수는 다음과 같이 표현됩니다.

방법:

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

콧수염 - 측정 장치;

Ktech - 기술적 순수성;

Kpav - 서브페이즈에 분사되는 계면활성제의 물리화학적 특성.

K ms - 하위상의 표면에 있는 단층의 위상 상태;

Кп - 기판 유형.

처음 두 요소는 설계 및 기술과 관련되고 나머지는 물리적 및 화학적 요소와 관련됩니다.

측정 장치에는 기판과 배리어를 이동시키는 장치가 포함됩니다. 다중 구조 형성에 대한 요구 사항은 다음과 같습니다.

기계적 진동 부족;

샘플의 이동 속도의 불변성;

장벽의 이동 속도의 불변성;

높은 수준의 기술 순도 유지

출발 물질의 순도 제어(증류수를 하위상의 기본으로 사용, 사용 직전에 계면 활성제 및 전해질 용액 준비);

기판의 에칭 및 세척과 같은 준비 작업 수행;

하위 단계 표면의 예비 청소;

작업 영역에 준폐쇄 볼륨 생성

인공 기후 - "클린 룸"이있는 특수 실에서 모든 작업을 수행합니다.

계면 활성제의 물리 화학적 특성을 결정하는 요소는 다음과 같은 물질의 개별 특성을 나타냅니다.

계면 활성제 자체의 분자와 계면 활성제 및 하위상의 분자 사이의 친수성 및 소수성 상호 작용의 비율을 결정하는 분자의 구조 (기하학);

물에 대한 계면활성제의 용해도;

계면활성제의 화학적 성질

높은 구조적 완성도의 필름을 얻으려면 다음 매개변수를 제어해야 합니다.

단층의 표면 장력 및 LBF의 결함 존재를 특징으로 하는 전달 계수;

주변 온도, 압력 및 습도,

PH 하위 단계,

성막율

다음과 같이 정의되는 등온선 섹션에 대한 압축 계수:

어디서? (S, P) - 등온선의 선형 단면의 시작과 끝 좌표.

6. 필름 고유의 특성

고체 기판에서 균일하게 배향된 분자의 단일층을 얻는 방법을 이미 알고 있는 즉시 여기에 전압 소스 또는 측정 장치를 연결하려는 유혹이 있습니다. 그런 다음 실제로 이러한 장치를 개별 분자의 끝에 직접 연결합니다. 아주 최근까지 그러한 실험은 불가능했습니다. 단층에 전계를 인가하여 물질의 광흡수대역의 이동을 관찰하거나 외부회로의 터널링전류를 측정할 수 있다. 한 쌍의 필름 전극을 통해 전압 소스를 단층에 연결하면 두 가지 매우 표현적인 효과가 나타납니다(그림 11). 첫째, 전기장은 파장 규모에서 분자에 의한 빛의 흡수 밴드의 위치를 바꿉니다. 이것은 고전적인 스타크 효과(1913년에 그것을 발견한 유명한 독일 물리학자의 이름을 따서 명명됨)이지만 이 경우에는 흥미로운 특징이 있습니다. 요점은 흡수 밴드의 이동 방향이 전기장 벡터의 상호 방향과 분자의 고유 쌍극자 모멘트에 의존한다는 것입니다. 그리고 이것이 결과로 이어집니다. 동일한 물질에 대해 그리고 필드의 동일한 방향으로 흡수 밴드가 X형 단층의 경우 빨간색 영역으로 이동하고 Z형 단층의 경우 파란색으로 이동합니다. 따라서 밴드의 이동 방향은 단층에서 쌍극자의 방향을 판단하는 데 사용할 수 있습니다. 질적으로는 이러한 물리적 상황을 이해할 수 있지만, 밴드의 변위를 정량적으로 해석하려고 하면 복잡한 분자를 따라 전기장이 정확히 어떻게 분포하는지에 대한 가장 흥미로운 질문이 생깁니다. Stark 효과의 이론은 점 원자와 분자의 가정에 기반을 두고 있습니다(이것은 자연스러운 일입니다. 결국 크기는 필드가 변경되는 길이보다 훨씬 작습니다). 여기서 접근 방식은 근본적으로 달라야 하며, 아직 개발되지 않았습니다. 또 다른 효과는 단층을 통한 터널링 전류의 흐름으로 구성됩니다(전위 장벽을 통한 전자의 양자 기계적 누출 메커니즘에 대해 이야기하고 있음). 저온에서 Langmuir 단층을 통한 터널링 전류가 실제로 관찰됩니다. 이 순수한 양자 현상에 대한 정량적 해석에는 인어 분자의 복잡한 구성을 고려하는 것도 포함되어야 합니다. 전압계를 단층에 연결하면 무엇을 얻을 수 있습니까? 그러면 외부 요인의 영향으로 분자의 전기적 특성 변화를 모니터링 할 수 있습니다. 예를 들어, 단층의 조명은 때때로 빛의 양자를 흡수한 각 분자에서 눈에 띄는 전하 재분배를 동반합니다. 이것은 소위 분자 내 전하 이동의 효과입니다. 말하자면, 빛의 양자는 분자를 따라 전자를 움직이고, 이것은 외부 회로에 전류를 유도합니다. 따라서 전압계는 분자내 전자 광과정을 등록합니다. 전하의 분자 내 이동은 온도 변화로 인해 발생할 수도 있습니다. 이 경우 단층의 총 전기 쌍극자 모멘트가 변하고 소위 초전류가 외부 회로에 기록됩니다. 설명된 현상 중 어느 것도 배향에 대한 분자의 무작위 분포가 있는 필름에서 관찰되지 않음을 강조합니다.

오늘날 과학 문헌은 2차원 자석을 만드는 것이 가능한가?라는 질문에 대해 적극적으로 논의하고 있습니다. 그리고 물리적인 측면에서 우리는 동일한 평면에 위치한 분자 자기 모멘트의 상호 작용이 자발적인 자화를 초래할 근본적인 가능성이 있는지 여부에 대해 이야기하고 있습니다. 이를 해결하기 위해 망간과 같은 전이금속의 원자를 양친매성 인어 분자에 도입한 후 Blodgett법으로 단층을 얻어 저온에서 자기 특성을 연구한다. 첫 번째 결과는 2차원 시스템에서 강자성 정렬의 가능성을 나타냅니다. 그리고 Langmuir 필름의 특이한 물리적 특성을 보여주는 또 하나의 예입니다. 분자 수준에서 정보를 한 단층에서 이웃하는 다른 단층으로 전달할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 그 후, 인접한 단층이 분리될 수 있으므로 첫 번째 단층에 "기록된" 사본을 얻을 수 있습니다. 이것은 다음과 같이 수행됩니다. 예를 들어, Blodgett 방법으로 전자빔과 같은 외부 요인의 영향으로 쌍을 이룰 수 있는 - 이량체화 - 분자의 단층을 얻었다고 가정합니다(그림 13). 우리는 쌍을 이루지 않은 분자를 0으로 간주하고 쌍을 이루는 분자를 이진 정보 코드의 단위로 간주합니다. 예를 들어 이러한 0과 1을 사용하면 짝을 이루지 않은 분자와 짝을 이루는 분자의 흡수 대역이 다르기 때문에 광학적으로 읽을 수 있는 텍스트를 작성할 수 있습니다. 이제 Blodgett 방법을 사용하여 이 단층에 두 번째 단층을 적용합니다. 그런 다음 분자간 상호 작용의 특성으로 인해 분자 쌍은 정확히 동일한 쌍을 끌어 당기고 고독한 분자는 고독한 것을 선호합니다. 이 "관심 클럽"의 작업 결과 정보 그림은 두 번째 단층에서 반복됩니다. 상부 단층과 하부 단층을 분리하여 사본을 얻을 수 있습니다. 이 복제 과정은 유전 암호의 관리인인 DNA 분자에서 RNA 분자로 정보를 복제하는 과정과 매우 유사합니다.

결론

문학

단층 필름 langmuir bloggett

1. 블리노프 L.M. "Langmuir 단일 및 다중 분자 구조의 물리적 특성 및 응용." 화학의 발전. t.52, 8번, p. 1263 ... 1300, 1983.

2. 블리노프 L.M. "Langmuir Films" Uspekhi fizicheskikh nauk, vol.155, no.3 p. 443 ... 480, 1988.

3. 사본 I.E. 논문 // Langmuir 필름의 특성과 그 준비에 대한 조사. 모스크바 2010 p. 6-14