Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Органикалық молекулалардың өздігінен құрастырылған моноқабаттары (SAM) – беттерде адсорбция арқылы спонтанды түрде қалыптасатын және белгілі бір деңгейде үлкен реттелген домендерге ұйымдастырылатын молекулалық жиынтықтар. Кейбір жағдайларда моноқабатты құрайтын молекулалар субстратпен күшті өзара әрекеттеспейді. Мысалы, алтын бетіндегі перилентетракарбоксилді диангидридтің (PTCDA) немесе жоғары бағытталған пиролиттік графиттегі (HOPG) порфириндердің екі өлшемді супермолекулалық желілері осыған жатады. Басқа жағдайларда молекулалар субстратқа күшті байланысы бар және оған молекуланы бекітетін бас тобына ие. Мұндай SAM бас, тізбек және функционалдық соңғы топтан тұрады, бұл 1-суретте көрсетілген. Көбінесе қолданылатын бас топтарға тиолдар, силандар, фосфонаттар және т.б. жатады. SAM-дар "бас топтардың" бу немесе сұйық фазадан субстратқа химисорбциялануы және содан кейін "тізбектердің" баяу ұйымдасуы арқылы құрылады. Бастапқыда, беттегі молекулалық тығыздық төмен болғанда, адсорбатталған молекулалар ретсіз молекулалық массаны немесе реттелген екі өлшемді "жатып қалған фазаны" құрайды. "Бас топтар" субстратқа жиналады, ал тізбектер субстраттан алыс жиналады. Тығыз орналасқан молекулалардың аймақтары ядроланып, субстраттың беті бір моноқабатпен жабылғанша өседі. Адсорбатталған молекулалар оңай адсорбцияланады, себебі олар субстраттың беткі еркін энергиясын төмендетеді. Мысалы, FDTS молекуласындағы трихлорсиланға негізделген "бас топ" субстраттағы гидроксил тобымен әрекеттеседі және 452 кДж/моль энергиясы бар өте тұрақты ковалентті байланыс [RSiO субстрат] құрайды. Тиол-металл байланыстарының энергиясы шамамен 100 кДж/моль болады, бұл оларды әртүрлі температураларда, еріткіштерде және потенциалдарда тұрақты етеді. Бас топпен әрекеттесетін қолайлы субстрат таңдалады. Субстраттар кремний және металдар сияқты жазық беттер немесе нанобөлшектер сияқты қисық беттер болуы мүмкін. Алканетиолдар SAM-дар үшін ең көп қолданылатын молекулалар. Алканетиолдар алкил тізбегінен (C-C)ⁿ тізбегінен, тізбек тобынан және SН бас тобынан тұрады. Молекулалық электроникада қызығушылық тудыратын басқа да молекулаларға ароматты тиолдар жатады, онда алкан тізбегі (ішінара) ароматты сақиналармен алмастырылады. Мысалы, дитиол 1,4-бензендиметанэтиол (SHCH₂C₆H₄CH₂SH). Мұндай дитиолдарға қызығушылық күкірттің екі ұшын металл контактілеріне байланыстыру мүмкіндігінен туындайды, бұл алғаш рет молекулалық өткізгіштікті өлшеуде қолданылды. Тиолдар асыл металдар субстраттарында жиі қолданылады, себебі күкірттің осы металдарға деген туыстығы жоғары. Күкірт-алтын өзара әрекеттесуі жартылай ковалентті және шамамен 45 ккал/моль энергияға ие. Сонымен қатар, алтын – инертті және биологиялық үйлесімді материал, оны алу оңай. Оны литография арқылы өңдеу де оңай, бұл наноэлектромеханикалық жүйелерде (NEMS) қолдану үшін пайдалы қасиет. SAM сипаттамаларына әсер ететін және молекулалық электроника сияқты кейбір қолдануларда қызығушылық тудыратын, субстраттармен әртүрлі байланыс сипаттамаларын іздеу жүргізілуде. Силандар көбінесе металл емес оксид беттерінде қолданылады; Бұл қайтымдылық бос аралдардың пайда болуына себеп болады және алканетиолаттардың SAM-дары термиялық түрде десорбцияланып, еркін тиолдармен алмасады.
Self assembled monolayers (SAM) of organic molecules are molecular assemblies formed spontaneously on surfaces by adsorption and are organized into more or less large ordered domains. In some cases molecules that form the monolayer do not interact strongly with the substrate. This is the case for instance of the two dimensional supramolecular networks of e. g. perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA) on gold or of e. g. porphyrins on highly oriented pyrolitic graphite (HOPG). In other cases the molecules possess a head group that has a strong affinity to the substrate and anchors the molecule to it. Such a SAM consisting of a head group, tail and functional end group is depicted in Figure 1. Common head groups include thiols, silanes, phosphonates, etc. SAMs are created by the chemisorption of "head groups" onto a substrate from either the vapor or liquid phase followed by a slow organization of "tail groups". Initially, at small molecular density on the surface, adsorbate molecules form either a disordered mass of molecules or form an ordered two dimensional "lying down phase", The "head groups" assemble together on the substrate, while the tail groups assemble far from the substrate. Areas of close packed molecules nucleate and grow until the surface of the substrate is covered in a single monolayer. Adsorbate molecules adsorb readily because they lower the surface free energy of the substrate A trichlorosilane based "head group", for example in a FDTS molecule, reacts with a hydroxyl group on a substrate, and forms very stable, covalent bond [R Si O substrate] with an energy of 452 kJ/mol. Thiol metal bonds are on the order of 100 kJ/mol, making them fairly stable in a variety of temperatures, solvents, and potentials. An appropriate substrate is chosen to react with the head group. Substrates can be planar surfaces, such as silicon and metals, or curved surfaces, such as nanoparticles. Alkanethiols are the most commonly used molecules for SAMs. Alkanethiols are molecules with an alkyl chain, (C C)ⁿ chain, as the back bone, a tail group, and a S H head group. Other types of interesting molecules include aromatic thiols, of interest in molecular electronics, in which the alkane chain is (partly) replaced by aromatic rings. An example is the dithiol 1,4 Benzenedimethanethiol (SHCH2C6H4CH2SH)). Interest in such dithiols stems from the possibility of linking the two sulfur ends to metallic contacts, which was first used in molecular conduction measurements. Thiols are frequently used on noble metal substrates because of the strong affinity of sulfur for these metals. The sulfur gold interaction is semi covalent and has a strength of approximately 45 kcal/mol. In addition, gold is an inert and biocompatible material that is easy to acquire. It is also easy to pattern via lithography, a useful feature for applications in nanoelectromechanical systems (NEMS). in a search for different bonding characteristics to substrates affecting the SAM characteristics and which could be of interest in some applications such as molecular electronics. Silanes are generally used on nonmetallic oxide surfaces; This reversibility is what gives rise to vacancy islands and it is why SAMs of alkanethiolates can be thermally desorbed and undergo exchange with free thiols.
Дайындық
SAM-дерде қолданылатын металл негіздер физикалық булану әдістері, электроқаптама немесе электросыз қаптама арқылы жасалуы мүмкін. Алканетиолат SAM-дер минутына бірнеше секундтың ішінде түзіледі. Кейбір жағдайларда, мысалы дитиол SAM-дерде, терминалдық топтарға әсер ететін және бұзылуға, көп қабатты түзілуге алып келетін тотығу немесе жарықтан туындаған процестерге байланысты проблемаларды болдырмау үшін ерекше назар қажет. Осы жағдайда, еріткіштерді дұрыс таңдау, оларды инертті газдармен газсыздандыру және жарықтан қорғалған жағдайда дайындау маңызды. Реттелген жиынтық алу қиын болғанда немесе әртүрлі тығыздық фазаларын алу қажет болғанда, орнына қою арқылы өзін-өзі құрастыру қолданылады. Бұл әдісте алдымен реттелген жиынтыққа әкелетін молекулалардың белгілі бір түрінің SAM-і түзіледі, содан кейін екінші құрастыру фазасы жүзеге асырылады (мысалы, басқа ерітіндіге батыру арқылы). Бұл әдіс әртүрлі бас топтары бар SAM-дердің салыстырмалы байланыс күштері туралы және жалпы алғанда өзін-өзі құрастыру ерекшеліктері туралы ақпарат беру үшін де қолданылған.
Metal substrates for use in SAMs can be produced through physical vapor deposition techniques, electrodeposition or electroless deposition. SAMs of alkanethiolates form within minutes. Special attention is essential in some cases, such as that of dithiol SAMs to avoid problems due to oxidation or photoinduced processes, which can affect terminal groups and lead to disorder and multilayer formation. In this case appropriate choice of solvents, their degassing by inert gasses and preparation in the absence of light is crucial In some cases when obtaining an ordered assembly is difficult or when different density phases need to be obtained substitutional self assembly is used. Here one first forms the SAM of a given type of molecules, which give rise to ordered assembly and then a second assembly phase is performed (e. g. by immersion into a different solution). This method has also been used to give information on relative binding strengths of SAMs with different head groups and more generally on self assembly characteristics.
Қасиеттері
SAM қалыңдығын эллипсометрия және рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия (XPS) арқылы өлшеуге болады, бұл әдістер интерфейстік қасиеттер туралы да ақпарат береді. SAM-дегі реттілік пен молекулалардың бағытын Near Edge Xray Absorption Fine Structure (NEXAFS) және Фурье түрлендірілген инфрақызыл спектроскопиясы (RAIRS), сондай-ақ Жоғары ажыратымды электрондық энергия жоғалту спектроскопиясы (HREELS) көмегімен зерттеуге болады. SAM құрылымдары көбінесе сканерлеуші зондты микроскопия әдістері, мысалы атомдық күш микроскопиясы (AFM) және сканерлеуші туннельдік микроскопиясы (STM) арқылы анықталады. STM SAM қалыптасу механизмдерін түсінуге және SAM-нің беттік тұрақтылық қасиеттерін анықтайтын маңызды құрылымдық ерекшеліктерді анықтауға көмектесті. Атап айтқанда, STM пішін, кеңістіктегі таралу, терминалдық топтар және олардың жинақы орналасуын бейнелей алады. AFM SAM өткізгіш немесе жартылай өткізгіш болуын қажет етпейтін, сондай-ақ тиімді құрал ұсынады. AFM SAM-нің химиялық функционалдығын, өткізгіштігін, магниттік қасиеттерін, беттік зарядын және үйкеліс күштерін анықтау үшін қолданылды. Сканерлік дірілдейтін электродтық техника (SVET) – бұл SAM-ді сипаттау үшін қолданылатын сканерлеуші зондты микроскопияның бір түрі, ақаусыз SAM-дер SVET-те біртекті белсенділікті көрсетеді. Бірақ соңғы уақытта дифракциялық әдістер де қолданылып келеді.
The thicknesses of SAMs can be measured using ellipsometry and X ray photoelectron spectroscopy (XPS), which also give information on interfacial properties. The order in the SAM and orientation of molecules can be probed by Near Edge Xray Absorption Fine Structure (NEXAFS) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy in Reflection Absorption Infrared Spectroscopy (RAIRS) High resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS). The structures of SAMs are commonly determined using scanning probe microscopy techniques such as atomic force microscopy (AFM) and scanning tunneling microscopy (STM). STM has been able to help understand the mechanisms of SAM formation as well as determine the important structural features that lend SAMs their integrity as surface stable entities. In particular STM can image the shape, spatial distribution, terminal groups and their packing structure. AFM offers an equally powerful tool without the requirement of the SAM being conducting or semi conducting. AFM has been used to determine chemical functionality, conductance, magnetic properties, surface charge, and frictional forces of SAMs. The scanning vibrating electrode technique (SVET) is a further scanning probe microscopy which has been used to characterize SAMs, with defect free SAMs showing homogeneous activity in SVET. More recently, however, diffractive methods have also been used.
2. Жергілікті түрде алып тастау
Жергілікті алып тастау стратегиясы SAM-мен бүкіл бетті жабудан басталады. Содан кейін наноқұрылымдардың орналасуы қажет емес жерлерден жеке SAM молекулалары алынады. Нәтижесі жергілікті тартымдылық стратегиясындағыдай, айырмашылығы – бұл мақсатқа жету тәсілінде. Бұл стратегияны қолданатын негізгі техникалар: ол әртүрлі материалдарды қабылдай алады немесе бастапқы SAM терминалдық тобынан өзгеше қасиеттерге ие болуы мүмкін. Бұл стратегияны қолданатын негізгі техникалар: химиялық тұрақтылық, биоүйлесімділік, сезіктендіру және сенсорлар мен наноөндіріс үшін молекулалық тану. Олар металдарды қатал химиялық заттар мен балқытушылардан қорғайды. SAM-дар ылғалды ортада NEMS және MEMS компоненттерінің жабысуын азайта алады. Сол сияқты, SAM шынының қасиеттерін өзгерте алады. Күнделікті қолданыстағы Rain X өнімі SAM-ды пайдаланып, автомобильдің алдыңғы әйнегінде жаңбырдан қорғайтын моноқабатты жасайды. Тағы бір қолданысы – нанобейімдеме литографиясы (NIL) құралдары мен формаларының жабысуға қарсы жабыны. Полимер көшірмесі үшін инъекциялық қалыптау құралдарын Perfluordecyltrichlorosilane SAM-мен жабуға болады. Жұқа пленкалы SAM-дар да наноқұрылымдарға жағуға болады. Осылайша олар наноқұрылымды функционалдайды. Бұл тиімді, себебі наноқұрылым енді өзге молекулаларға немесе SAM-дарға таңдамалы түрде жалғаса алады. Бұл техника биосенсорларда немесе басқа MEMS құрылғыларында пайдалы, олар молекуланың бір түрін ортадан бөліп алуы керек. Мысалы, магниттік нанобөлшектерді қан ағынынан саңырауқұлақты жою үшін қолдануға болады. Нанобөлшек саңырауқұлаққа байланысатын SAM-мен жабылады. Ластанған қан MEMS құрылғысы арқылы сүзіліп, магниттік нанобөлшектер қанға енгізіледі, онда олар саңырауқұлаққа байланысып, содан кейін магниттік күшпен қан ағынынан жақын жердегі ламинарлық қалдық ағынына шығарылады.
The locally remove strategy begins with covering the entire surface with a SAM. Then individual SAM molecules are removed from locations where the deposition of nanostructures is not desired. The result is the same as in the locally attract strategy, the difference being in the way this is achieved. The major techniques that use this strategy are: so it can accept different materials or have different properties than the original SAM terminal group. The major techniques that use this strategy are: chemical resistance, bio compatibility, sensitization, and molecular recognition for sensors and nano fabrication. They can serve to protect metals from harsh chemicals and etchants. SAMs can also reduce sticking of NEMS and MEMS components in humid environments. In the same way, SAMs can alter the properties of glass. A common household product, Rain X, utilizes SAMs to create a hydrophobic monolayer on car windshields to keep them clear of rain. Another application is an anti adhesion coating on nanoimprint lithography (NIL) tools and stamps. One can also coat injection molding tools for polymer replication with a Perfluordecyltrichlorosilane SAM. Thin film SAMs can also be placed on nanostructures. In this way they functionalize the nanostructure. This is advantageous because the nanostructure can now selectively attach itself to other molecules or SAMs. This technique is useful in biosensors or other MEMS devices that need to separate one type of molecule from its environment. One example is the use of magnetic nanoparticles to remove a fungus from a blood stream. The nanoparticle is coated with a SAM that binds to the fungus. As the contaminated blood is filtered through a MEMS device the magnetic nanoparticles are inserted into the blood where they bind to the fungus and are then magnetically driven out of the blood stream into a nearby laminar waste stream.
Үлгілі САМ
Фотолитографиялық әдістер SAM-дарды үлгілеуде пайдалы. SAM-дар наноқұрылымдарды орналастыруда да пайдалы, себебі әрбір адсорбат молекуласын екі түрлі материалды тартуға бейімдеуге болады. Қазіргі техникалар бетке, мысалы алтын пластинаға тарту үшін молекуланың бас бөлігін пайдаланады. Содан кейін терминалдық тобы белгілі бір нанобөлшекті, сымды, жолақты немесе басқа наноқұрылымды тарту үшін өзгертіледі. Осылайша, SAM үлгіленген жерде, құйрық топтарына бекітілген наноқұрылымдар болады. Мысалы, екі түрлі SAM-ды қолданып, бір қабырғалы көміртек нанотүтікшелерін (SWNT) туралауға болады. 16-меркаптогексадекано қышқылы (MHA) SAM-ды үлгілеу үшін суға батырып нанолитография қолданылды, ал беттің қалған бөлігі 1-октадекантиол (ODT) SAM-мен пассивтендірілді. SWNT-ні тасымалдайтын полярлы ерітінді гидрофильді MHA-ға тартылады; ерітінді буланып кеткенде, SWNT-лер Ван-дер-Ваальс күштерінің әсерінен MHA SAM-ға жақындап, оған қосылады. Осылайша, нанотүтікшелер MHA-ODT шекарасына сәйкес келеді. Осы әдісті пайдаланып, Чад Миркин, Шац және олардың әріптестері күрделі екі өлшемді пішіндер жасады, жасалған пішіннің мысалы оң жақта көрсетілген. Үлгіленген SAM-дардың тағы бір қолданылуы – биосенсорларды функционалдау. Құйрық топтары жасушаларға, ақуыздарға немесе молекулаларға жақын болу үшін өзгертілуі мүмкін. Бұл SAM-ды биосенсорға орналастыруға болады, сонда осы молекулалардың байланысы анықталады. Бұл SAM-дарды үлгілеу мүмкіндігі, оларды сезімталдықты арттыратын және биосенсордың басқа компоненттеріне зиян келтірмейтін немесе кедергі келтірмейтін конфигурацияларда орналастыруға мүмкіндік береді. Немесе дитиолдарды қолданып, қабаттама-қабаттама SAM нанобөлшектер массивтерін жасауға болады. Дитиолдарды қолдану арқылы осы тақырыпқа толық шолуды Хамуди мен Есаулов жасаған.
Photolithographic methods are useful in patterning SAMs. SAMs are also useful in depositing nanostructures, because each adsorbate molecule can be tailored to attract two different materials. Current techniques utilize the head to attract to a surface, like a plate of gold. The terminal group is then modified to attract a specific material like a particular nanoparticle, wire, ribbon, or other nanostructure. In this way, wherever the SAM is patterned to a surface there will be nanostructures attached to the tail groups. One example is the use of two types of SAMs to align single wall carbon nanotubes, SWNTs. Dip pen nanolithography was used to pattern a 16 mercaptohexadecanoic acid (MHA)SAM and the rest of the surface was passivated with 1 octadecanethiol (ODT) SAM. The polar solvent that is carrying the SWNTs is attracted to the hydrophilic MHA; as the solvent evaporates, the SWNTs are close enough to the MHA SAM to attach to it due to Van der Waals forces. The nanotubes thus line up with the MHA ODT boundary. Using this technique Chad Mirkin, Schatz and their co workers were able to make complex two dimensional shapes, a representation of a shape created is shown to the right. Another application of patterned SAMs is the functionalization of biosensors. The tail groups can be modified so they have an affinity for cells, proteins, or molecules. The SAM can then be placed onto a biosensor so that binding of these molecules can be detected. The ability to pattern these SAMs allows them to be placed in configurations that increase sensitivity and do not damage or interfere with other components of the biosensor. or layer by layer SAM nanoparticle arrays using dithiols. A detailed review on this subject using dithiols is given by Hamoudi and Esaulov