Введение

Тонкая пленка, полученная путем осаждения нескольких монослоев на поверхность. Пленка Лангмюра-Блоджетт (LB) – это наноструктурированная система, формирующаяся при переносе пленок Лангмюра или монослоев Лангмюра (LM) с газожидкостного интерфейса на твердый носитель при вертикальном перемещении носителя через монослои. Пленки LB могут содержать один или несколько монослоев органического материала, осажденных с поверхности жидкости на твердое тело путем погружения (или извлечения) твердого субстрата в жидкость (или из нее). Монослой адсорбируется однородно при каждом погружении или извлечении, что позволяет формировать пленки с очень точной толщиной. Эта точность достигается благодаря известной толщине каждого монослоя, которую можно суммировать для определения общей толщины пленки Лангмюра-Блоджетт. Монослои собираются вертикально и обычно состоят из амфифильных молекул (см. химическую полярность) с гидрофильной головкой и гидрофобным хвостом (например, жирных кислот) или, в настоящее время, чаще из наночастиц. Пленки Лангмюра-Блоджетт названы в честь Ирвинга Лангмюра и Кэтрин Б. Блоджетт, которые изобрели эту технологию, работая в отделе исследований и разработок компании General Electric Co.

Исторический фон

Начало открытия пленок LB и LM положил Бенджамин Франклин в 1773 году, когда он вылил около чайной ложки масла в пруд. Франклин заметил, что волны успокоились почти мгновенно, и что успокоение волн распространилось примерно на полгектара. Франклин не осознавал, что масло сформировало монослой на поверхности пруда. Более чем через столетие лорд Рэлей количественно оценил то, что видел Бенджамин Франклин. Зная, что масло, олеиновая кислота, равномерно распределилось по воде, Рэлей вычислил, что толщина пленки составляет 1,6 нм, исходя из объема вылитого масла и площади покрытия. С помощью своей кухонной раковины Агнес Покельс показала, что площадь пленок можно контролировать с помощью барьеров. Она добавила, что поверхностное натяжение изменяется в зависимости от загрязнения воды. Используя различные масла, она пришла к выводу, что поверхностное давление не изменится, пока площадь не будет ограничена примерно 0,2 нм². Эта работа была первоначально написана в виде письма лорду Рэлею, который затем помог Агнес Покельс опубликовать ее в журнале Nature в 1891 году. Работа Агнес Покельс заложила основу для работы Ирвинга Лангмура, который продолжил исследования и подтвердил результаты Покельс. Используя идею Покельс, он разработал ванну Лангмура (или Лангмура–Блоджетт). Его наблюдения показали, что длина цепи не влияет на затронутую площадь, поскольку органические молекулы расположены вертикально. Прорыв Лангмура произошел только после того, как он нанял Кэтрин Блоджетт в качестве своего ассистента. Блоджетт изначально пришла искать работу в General Electric (GE) к Лангмуиру во время рождественских каникул на последнем курсе колледжа Брин-Мор, где она получила степень бакалавра физики. Лангмуир посоветовал Блоджетт продолжить образование, прежде чем работать с ним. После этого она поступила в Чикагский университет для получения степени магистра химии. После окончания магистратуры Лангмуир нанял ее своим ассистентом. Однако прорыв в области химии поверхности произошел после получения ею докторской степени в 1926 году в Кембриджском университете. Работая в GE, Лангмуир и Блоджетт обнаружили, что при погружении твердой поверхности в водный раствор, содержащий органические молекулы, органические молекулы осаждают монослой однородно на поверхности. Это процесс осаждения пленки Лангмура–Блоджетт. Благодаря этой работе в области химии поверхности и с помощью Блоджетт Лангмуир был удостоен Нобелевской премии в 1932 году. Кроме того, Блоджетт использовала пленку Лангмура–Блоджетт для создания 99% прозрачного антибликового стекла, покрыв стекло фторированными органическими соединениями, формируя простое антибликовое покрытие.

Физическое понимание

Лангмуировские пленки формируются при распространении амфифильных (серфактантов) молекул или наночастиц по воде на границе раздела воздух-вода. Серфактанты (или поверхностно-активные вещества) – это молекулы с гидрофобными «хвостами» и гидрофильными «головками». Когда концентрация серфактанта меньше минимальной поверхностной концентрации коллапса и он полностью нерастворим в воде, молекулы серфактанта располагаются, как показано на рисунке 1 ниже. Эта тенденция объясняется соображениями поверхностной энергии. Поскольку хвосты гидрофобны, их экспозиция воздуху предпочтительнее, чем воде. Аналогично, поскольку головки гидрофильны, взаимодействие головки с водой более благоприятно, чем с воздухом. Общий эффект – снижение поверхностной энергии (или, эквивалентно, поверхностного натяжения воды). При очень малых концентрациях, значительно меньших плотности поверхности, совместимой с разрушением монослоя (что приводит к многослойным структурам), молекулы серфактанта совершают случайное движение на границе раздела вода-воздух. Это движение можно представить аналогичным движению молекул идеального газа в замкнутом объеме. Соответствующими термодинамическими переменными для системы серфактанта являются поверхностное давление, площадь поверхности (A) и число молекул серфактанта (N). Эта система ведет себя подобно газу в объеме. Плотность молекул серфактанта, а также поверхностное давление увеличиваются при уменьшении площади поверхности A («сжатие» «газа»). Дальнейшее сжатие молекул серфактанта на поверхности демонстрирует поведение, аналогичное фазовым переходам. «Газ» сжимается в «жидкость», а затем в плотно упакованную структуру молекул серфактанта на поверхности, соответствующую «твердому» состоянию. Жидкое состояние обычно разделяется на жидкое расширенное и жидкое конденсированное состояния. Все состояния лангмюировской пленки классифицируются в соответствии с коэффициентом сжимаемости пленки, определяемым как , обычно связанным с плоскостной эластичностью монослоя. Конденсированные лангмюировские пленки (при поверхностном давлении обычно выше 15 мН/м – как правило, 30 мН/м) могут быть впоследствии перенесены на твердую подложку для создания высокоорганизованных тонкопленочных покрытий. Помимо LB-пленок из серфактантов, изображенных на рисунке 1, аналогичные монослои можно создавать также из неорганических наночастиц.