Filmul lui Langmuir-Blodgett

Imagine la microscop a unui film Langmuir-Blodgett format dintr-un monostrat de acid stearic gros de 2,4 nm .

Filmul Langmuir-Blodgett este un film special obținut prin depunerea uneia sau mai multor straturi de molecule organice amfifile de pe suprafața unui lichid pe un substrat solid, prin imersia solidului sau prin emersie din lichidul însuși. ^[1] Își datorează numele Irving Langmuir și Katharine Blodgett , care l-au obținut în timpul petrecut la General Electric . O metodă alternativă de depunere monostraturi simple pe o suprafață sunt monostratele auto-asamblate .

Filmul Langmuir-Blodgett nu trebuie confundat cu filmul Langmuir, care indică pur și simplu un monostrat scufundat într- o soluție apoasă . Transferul de pelicule subțiri pe o matrice solidă permite exploatarea proprietăților sale, găsind o serie întreagă de aplicații tehnologice.

Fundamente teoretice

Dispunerea moleculelor de surfactant pe suprafața apei. capul hidrofil interacționează cu mediul apos, în timp ce coada hidrofobă este capabilă să interacționeze cu o a doua fază organică nemiscibilă.

Un agent tensioactiv este o specie capabilă să acționeze la interfața a două faze diferite provocând o scădere a tensiunii superficiale . Această variație este exprimată prin așa-numita presiune de suprafață (π), definită ca diferența dintre tensiunea superficială a solventului pur și cea a soluției. ^[2] Dacă acum luăm în considerare, de exemplu, cele două faze ulei și apă în contact unul cu celălalt, fiecare conținând o componentă J cu concentrație totală n _j în fiecare fază, acumularea componentei la interfață duce la definirea suprafața liberă a energiei Gibbs :

G(\sigma )=G-\left\{G(olio)-G(acqua)\right\}

{\ displaystyle G (\ sigma) = G- \ left \ {G (petrol) -G (apă) \ right \}}

{\ displaystyle G (\ sigma) = G- \ left \ {G (petrol) -G (apă) \ right \}}

unde G indică energia liberă Gibbs obținută teoretic în cazul în care componenta J este distribuită uniform în întregul volum al celor două faze.

În mod similar, se obține cantitatea totală n _j (σ) , care diferă de suma simplă a concentrațiilor din cele două faze. Această diferență poate fi exprimată în termeni de suprafață în exces :

\Gamma _{j}=G-{\frac {n_{j}(\sigma )}{\sigma }}

{\ displaystyle \ Gamma _ {j} = G - {\ frac {n_ {j} (\ sigma)} {\ sigma}}}

{\ displaystyle \ Gamma _ {j} = G - {\ frac {n_ {j} (\ sigma)} {\ sigma}}}

unde este $\sigma$ ${\ displaystyle \ sigma}$ $\ sigma$ este suprafața zonei . Dacă excesul de suprafață capătă o valoare pozitivă înseamnă că există o acumulare de componentă la interfață, în timp ce în caz contrar excesul de suprafață capătă o valoare negativă.

Suprafața în exces este legată de tensiunea superficială de către izoterma Gibbs :

d\gamma =-\sum \Gamma _{j}d\mu _{j}

{\ displaystyle d \ gamma = - \ sum \ Gamma _ {j} d \ mu _ {j}}

{\ displaystyle d \ gamma = - \ sum \ Gamma _ {j} d \ mu _ {j}}

care, explicând potențialul chimic , la temperatură constantă, dă relația

\left({\frac {d\gamma }{dc}}\right)_{T}=-{\frac {RT\Gamma _{j}}{c}}

{\ displaystyle \ left ({\ frac {d \ gamma} {dc}} \ right) _ {T} = - {\ frac {RT \ Gamma _ {j}} {c}}}

{\ displaystyle \ left ({\ frac {d \ gamma} {dc}} \ right) _ {T} = - {\ frac {RT \ Gamma _ {j}} {c}}}

Acest lucru demonstrează modul în care acumularea de surfactant pe suprafață implică o scădere a tensiunii superficiale.

În plus față de presiunea de suprafață menționată anterior, un alt parametru demn de remarcat este presiunea de colaps definită ca presiunea maximă pe care o folie o poate susține fără a se distruge singură.

Pregătirea

Formarea unui film Langmuir-Blodgett: Pe măsură ce substratul se deplasează în sus, presiunea exercitată de o barieră determină depunerea monostratului care se leagă prin capul hidrofil.

Filmul Langmuir-Blodgett este obținut în mod obișnuit prin scufundarea substratului solid în soluția care conține moleculele filmului, care sunt dizolvate într-un solvent organic volatil nemiscibil cu apă. Un echipament special exercită o presiune capabilă să compacteze aceste molecule, care după evaporarea solventului organic sunt depuse într-un strat cu o grosime de ordinul nanometrilor . Având în vedere un substrat hidrofil (de exemplu sticlă ), capul polar al moleculei organice tinde să interacționeze prin legarea la suprafața solidului, în timp ce lanțul nepolar tinde să fie mai îndepărtat.

Cele trei tipuri de filme ( x , y și z ) se bazează pe aranjamentul diferit al moleculelor.

În funcție de numărul de scufundări, un număr variabil de straturi poate fi depus într-un mod controlat. Procesul de adsorbție poate fi monitorizat prin măsurarea scăderii tensiunii superficiale. Mai mult, este posibil să se controleze cu precizie orientarea moleculelor din fiecare strat, precum și să se modifice natura acestora. Stratul cel mai exterior este cel care determină proprietățile chimico-fizice, cum ar fi umectabilitatea . În raport cu orientarea diferită a monostraturilor, se pot distinge următoarele tipuri de filme: filmul x , cu orientare descendentă; film y , cu orientare atât în sus, cât și în jos; filme z , caracterizate printr-o orientare ascendentă. ^[3]

Filmele polimerice pot fi obținute și prin efectuarea polimerizării in situ a monomerilor amfifili. ^[3]

Aplicații

În general, tehnologia Langmuir-Blodgett este utilizată în domeniile microlitografiei , polimerizării în stare solidă, optică , tuneluri și fotovoltaice . ^[4]

Printre principalele utilizări ale filmului Langmuir-Blodgett, se remarcă cea din industria electronică . Proprietățile electrice ale filmelor de ftalocianină sunt bine cunoscute, iar tehnica Langmuir-Blodgett deschide calea dezvoltării de noi pelicule organice subțiri care să fie utilizate ca semiconductori în microelectronică. ^[5]

O altă posibilă utilizare se referă la simularea membranelor biologice , ^[6] cu posibilitatea de a efectua investigații cu privire la mecanismul de acțiune al medicamentelor sau alte studii legate de biochimie .

Notă

^ Filmul lui Langmuir-Blodgett ( PDF ) ^{[ link rupt ]} , pe diee.unica.it , Universitatea din Cagliari . Adus pe 20 ianuarie 2016 .
^ Peter Atkins și Julio de Paula, Chimie fizică , ediția a IX-a, WH Freeman and Company, 2010, p. 650, ISBN 1-4292-1812-6 .
^ ^a ^b Georg Wahl și colab., Thin Films , în Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry , Wiley-VCH, 2000, DOI : 10.1002 / 14356007.a26_681 .
^ Birdi , p.124
^ Birdi , p.131
^ MH Greenhall, J. Yarwood, R. Brown și RM Swart, Studii spectroscopice ale membranelor biologice model în vezicule și Langmuir - Filme Blodgett , în Langmuir , vol. 14, n. 10, 1998, pp. 2619-2626, DOI : 10.1021 / la970458n .

Bibliografie

KS Birdi, Surface Chemistry Essentials , CRC Press, 2013, ISBN 978-1-4398-7179-9 .

Portalul chimiei	Portalul de fizică
Portal de inginerie	Portalul de materiale

[1] Filmul lui Langmuir-Blodgett ( PDF ) ^{[ link rupt ]} , pe diee.unica.it , Universitatea din Cagliari . Adus pe 20 ianuarie 2016 .

[2] Peter Atkins și Julio de Paula, Chimie fizică , ediția a IX-a, WH Freeman and Company, 2010, p. 650, ISBN 1-4292-1812-6 .

[ull-3] Georg Wahl și colab., Thin Films , în Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry , Wiley-VCH, 2000, DOI : 10.1002 / 14356007.a26_681 .

[4] Birdi , p.124

[5] Birdi , p.131

[6] MH Greenhall, J. Yarwood, R. Brown și RM Swart, Studii spectroscopice ale membranelor biologice model în vezicule și Langmuir - Filme Blodgett , în Langmuir , vol. 14, n. 10, 1998, pp. 2619-2626, DOI : 10.1021 / la970458n .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]