Жұқа пленкалар: Моноқабаттарды тікелей жинау әдісі
Langmuir–Blodgett film
Жұқа пленкалар: Langmuir-Blodgett (LB) технологиясы – бетке моноқабаттар түсіріп, наноқұрылымды жүйе құру. Дәл қалыңдықпен өндіріледі, молекулалар тік жиналады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жұқа пленка, бірнеше моноқабатты бетке түсіру арқылы алынады.
Thin film obtained by depositing multiple monolayers onto a surface
Лангмуир-Блоджетт (LB) пленкасы – бұл Лангмуир пленкалары немесе Лангмуир моноқабаттарының (LM) сұйық-газ интерфейсінен қатты тіректерге тік өту кезінде ауысуынан пайда болатын наноқұрылымды жүйе. LB пленкалары сұйықтықтан қатты субстратты сұйықтыққа (немесе одан) батыру (немесе шығару) арқылы жиналған органикалық материалдың бір немесе бірнеше моноқабаттарын қамтуы мүмкін. Әр батыру немесе шығару кезінде бір қабат біртекті түрде адсорбцияланады, осылайша өте дәл қалыңдығы бар пленкалар түзіледі. Бұл қалыңдық дәл, себебі әрбір моноқабаттың қалыңдығы белгілі және оны қосу арқылы Лангмуир-Блоджетт пленкасының жалпы қалыңдығын анықтауға болады. Моноқабаттар тік бағытта жиналады және әдетте гидрофильді бас бөлігі мен гидрофобты құйрығы бар амфифильді молекулалардан (химиялық полярлыққа қараңыз) немесе қазіргі кезде көбінесе нанобөлшектерден тұрады. Лангмуир-Блоджетт пленкалары осы техниканы General Electric Co компаниясының Ғылыми-зерттеу және даму бөлімінде жұмыс істеген кезде ойлап тапқан Ирвинг Лангмуир және Кэтрин Б. Блоджетт есімдерімен аталады.
A Langmuir–Blodgett (LB) film is a nanostructured system formed when Langmuir films—or Langmuir monolayers (LM)—are transferred from the liquid gas interface to solid supports during the vertical passage of the support through the monolayers. LB films can contain one or more monolayers of an organic material, deposited from the surface of a liquid onto a solid by immersing (or emersing) the solid substrate into (or from) the liquid. A monolayer is adsorbed homogeneously with each immersion or emersion step, thus films with very accurate thickness can be formed. This thickness is accurate because the thickness of each monolayer is known and can therefore be added to find the total thickness of a Langmuir–Blodgett film. The monolayers are assembled vertically and are usually composed either of amphiphilic molecules (see chemical polarity) with a hydrophilic head and a hydrophobic tail (example: fatty acids) or nowadays commonly of nanoparticles. Langmuir–Blodgett films are named after Irving Langmuir and Katharine B. Blodgett, who invented this technique while working in Research and Development for General Electric Co.
Тарихи негіздер
LB және LM пленкаларын ашуға жасалған алға басу 1773 жылы Бенджамин Франклиннің тоғанға шамамен бір шай қасық май тастауымен басталды. Франклин толқындардың дерлік бірден басылып, шамамен жарты гектарға дейін тарағанын байқады. Франклин майдың көл бетінде моноқабат түзілгенін білмеді. Бір ғасырдан кейін Лорд Рейли Бенджамин Франклиннің көргенін сандық тұрғыда анықтады. Майдың, яғни олеин қышқылының суға тегіс жайылатынын білген Рейли, майдың көлемі мен жабынған ауданы бойынша пленканың қалыңдығы 1,6 нм екенін есептеп шығарды. Агнес Покельс ас үй раковинасының көмегімен пленкалардың ауданын кедергілер арқылы басқаруға болатынын көрсетті. Ол судың ластануына байланысты беттік кернеудің өзгеретінін айтты. Әртүрлі майларды қолданып, аудан шамамен 0,2 нм² дейін шектелмегенше беттік қысым өзгермейтінін тұжырымдады. Бұл жұмыс бастапқыда Лорд Рейлиге жазылған хат түрінде жазылды, ол 1891 жылы Агнес Покельстің Nature журналында жариялануына көмектесті. Агнес Покельстің жұмысы Ирвинг Лангмюирге одан әрі жұмыс істеуге және Покельстің нәтижелерін растауға мүмкіндік берді. Покельдің идеясын пайдаланып, ол Лангмюир (немесе Лангмюир-Блоджетт) ваннасын жасады. Оның байқауы бойынша, тізбектің ұзындығы зақымдалған ауданға әсер етпейді, себебі органикалық молекулалар тік орналасқан. Лангмюирдің табысы Кэтрин Блоджеттті өзінің ассистенті етіп алғанға дейін болған жоқ. Блоджетт бастапқыда Брин-Мор колледжіндегі соңғы курсының Рождество демалысында General Electric (GE) компаниясында жұмыс іздеу үшін Лангмюирмен бірге барды, онда ол физика мамандығы бойынша бакалавр дәрежесін алған еді. Лангмюир Блоджеттке оның үшін жұмыс істемес бұрын білімін жетілдіруі керектігін кеңес берді. Одан кейін ол Чикаго университетінде химия магистрі дәрежесін алды. Магистрлік дипломды қорғағаннан кейін Лангмюир оны өзінің ассистенті ретінде жұмысқа алды. Дегенмен, беттік химиядағы маңызды жаңалықтар оның 1926 жылы Кембридж университетінен докторлық диплом алғаннан кейін болды. GE компаниясында жұмыс істеген кезде Лангмюир мен Блоджетт қатты бетті органикалық қосылыстардан тұратын сулы ерітіндіге енгізгенде, органикалық молекулалар бетке біртекті моноқабат түзететінін анықтады. Бұл Лангмюир-Блоджетт пленкасын жасау процесі. Беттік химия саласындағы осы жұмысы және Блоджетттің көмегі арқасында Лангмюир 1932 жылы Нобель сыйлығына ие болды. Сонымен қатар, Блоджетт Лангмюир-Блоджетт пленкасын фторланған органикалық қосылыстармен шыныны жауып, 99% мөлдірлікке ие антирефлекстік шыны жасау үшін пайдаланды, бұл қарапайым антирефлекстік жабын құрады.
Advances to the discovery of LB and LM films began with Benjamin Franklin in 1773 when he dropped about a teaspoon of oil onto a pond. Franklin noticed that the waves were calmed almost instantly and that the calming of the waves spread for about half an acre. What Franklin did not realize was that the oil had formed a monolayer on top of the pond surface. Over a century later, Lord Rayleigh quantified what Benjamin Franklin had seen. Knowing that the oil, oleic acid, had spread evenly over the water, Rayleigh calculated that the thickness of the film was 1.6 nm by knowing the volume of oil dropped and the area of coverage. With the help of her kitchen sink, Agnes Pockels showed that area of films can be controlled with barriers. She added that surface tension varies with contamination of water. She used different oils to deduce that surface pressure would not change until area was confined to about 0.2 nm2. This work was originally written as a letter to Lord Rayleigh who then helped Agnes Pockels become published in the journal, Nature, in 1891. Agnes Pockels’ work set the stage for Irving Langmuir who continued to work and confirmed Pockels’ results. Using Pockels’ idea, he developed the Langmuir (or Langmuir–Blodgett) trough. His observations indicated that chain length did not impact the affected area since the organic molecules were arranged vertically. Langmuir’s breakthrough did not occur until he hired Katherine Blodgett as his assistant. Blodgett initially went to seek for a job at General Electric (GE) with Langmuir during her Christmas break of her senior year at Bryn Mawr College, where she received a BA in Physics. Langmuir advised to Blodgett that she should continue her education before working for him. She thereafter attended University of Chicago for her MA in Chemistry. Upon her completion of her Master's, Langmuir hired her as his assistant. However, breakthroughs in surface chemistry happened after she received her PhD degree in 1926 from Cambridge University. While working for GE, Langmuir and Blodgett discovered that when a solid surface is inserted into an aqueous solution containing organic moieties, the organic molecules will deposit a monolayer homogeneously over the surface. This is the Langmuir–Blodgett film deposition process. Through this work in surface chemistry and with the help of Blodgett, Langmuir was awarded the Nobel Prize in 1932. In addition, Blodgett used Langmuir–Blodgett film to create 99% transparent anti reflective glass by coating glass with fluorinated organic compounds, forming a simple anti reflective coating.
Физикалық түсінік
Лангмуир пленкалары амфифильді (үстіңгі белсенді заттар) молекулалары немесе нанобөлшектер судың үстіндегі ауа-су интерфейсінде таратылғанда қалыптасады. Үстіңгі белсенді заттар (немесе беттік әсер ететін агенттер) гидрофобтық "құйрықтары" және гидрофильді "бастары" бар молекулалар болып табылады. Егер үстіңгі белсенді заттың концентрациясы құлдыраудың ең төменгі беттік концентрациясынан төмен болса және ол суда толығымен ерімейтін болса, үстіңгі белсенді зат молекулалары 1-суретте көрсетілгендей орналасады. Бұл бейімділікті беттік энергияны ескере отырып түсіндіруге болады. Құйрықтары суды қашарлық болғандықтан, олардың ауаға ұшырауы суға ұшыраудан артық. Сол сияқты, бас-су өзара әрекеттесуі, бас-ауа өзара әрекеттесуіне қарағанда тиімді, себебі бас-су өзара әрекеттесуі гидрофильді. Жалпы эффект – беттік энергияның төмендеуі (немесе, эквивалентті түрде, судың беттік кернеуінің төмендеуі). Өте төмен концентрацияларда, моноқабаттың ыдырауына сәйкес келетін беттік тығыздықтан қашықта (бұл көп қабатты құрылымдарға әкеледі), үстіңгі белсенді зат молекулалары су-ауа интерфейсінде кездейсоқ қозғалыс жасайды. Бұл қозғалысты ыдысқа қамтылған идеал газ молекулаларының қозғалысына ұқсас деп санауға болады. Үстіңгі белсенді зат жүйесі үшін термодинамикалық айнымалылар – беттік қысым, беттік аудан (A) және үстіңгі белсенді зат молекулаларының саны (N). Бұл жүйе контейнердегі газ сияқты мінез-құлық көрсетеді. Үстіңгі белсенді зат молекулаларының тығыздығы, сондай-ақ беттік қысым, беттік аудан A азайғанда ( "газдың" сығылуы) артады. Беттегі үстіңгі белсенді зат молекулаларын одан әрі сығу фазалық өтулерге ұқсас мінез-құлықты көрсетеді. "Газ" "сұйыққа" сығылады, және соңында беттегі үстіңгі белсенді зат молекулаларының толығымен жабық жиынтығына, "қатты" күйге сәйкес келеді. Сұйық күй әдетте сұйық кеңейген және сұйық конденсацияланған күйлерге бөлінеді. Барлық Лангмуир пленкалары пленкалардың сығылу коэффициентіне сәйкес жіктеледі, ол , әдетте моноқабаттың жазықтықтағы серпімділігімен байланысты. Конденсацияланған Лангмуир пленкаларын (беттік қысым әдетте 15 мН/м-ден жоғары, әдетте 30 мН/м) кейіннен қатты субстратқа көшіріп, жоғары ұйымдастырылған жұқа пленкалы жабындар жасауға болады. Лангмуир-Блоджетт науалары.
Langmuir films are formed when amphiphilic (surfactants) molecules or nanoparticles are spread on the water at an air–water interface. Surfactants (or surface acting agents) are molecules with hydrophobic 'tails' and hydrophilic 'heads'. When surfactant concentration is less than the minimum surface concentration of collapse and it is completely insoluble in water, the surfactant molecules arrange themselves as shown in Figure 1 below. This tendency can be explained by surface energy considerations. Since the tails are hydrophobic, their exposure to air is favoured over that to water. Similarly, since the heads are hydrophilic, the head–water interaction is more favourable than head air interaction. The overall effect is reduction in the surface energy (or equivalently, surface tension of water). For very small concentrations, far from the surface density compatible with the collapse of the monolayer (which leads to polylayers structures) the surfactant molecules execute a random motion on the water–air interface. This motion can be thought to be similar to the motion of ideal gas molecules enclosed in a container. The corresponding thermodynamic variables for the surfactant system are, surface pressure , surface area (A) and number of surfactant molecules (N). This system behaves similar to a gas in a container. The density of surfactant molecules as well as the surface pressure increases upon reducing the surface area A ('compression' of the 'gas'). Further compression of the surfactant molecules on the surface shows behavior similar to phase transitions. The ‘gas’ gets compressed into ‘liquid’ and ultimately into a perfectly closed packed array of the surfactant molecules on the surface corresponding to a ‘solid’ state. The liquid state is usually separated in the liquid expanded and liquid condensed states. All the Langmuir film states are classified according to the compressionality factor of the films, defined as , usually related to the in plane elasticity of the monolayer. The condensed Langmuir films (in surface pressures usually higher than 15 mN/m – typically 30 mN/m) can be subsequently transferred onto a solid substrate to create highly organized thin film coatings. Langmuir–Blodgett troughs
1-суретте көрсетілген үстіңгі белсенді заттардан жасалған LB пленкасынан басқа, ұқсас моноқабаттар бейорганикалық нанобөлшектерден де жасалуы мүмкін.
Besides LB film from surfactants depicted in Figure 1, similar monolayers can also be made from inorganic nanoparticles.