Langmuir–Blodgett film

Langmuir-film bestående av komplexa fosfolipider i vätskekondenserat tillstånd flytande på vattensubfas, avbildad med ett Brewster Angle Microscope.

En Langmuir–Blodgett (LB)-film är ett nanostrukturerat system som bildas när Langmuir-filmer – eller Langmuir-monoskikt (LM) – överförs från vätske-gasgränssnittet till fasta stöd under den vertikala passagen av stödet genom monoskikten. LB-filmer kan innehålla ett eller flera monolager av ett organiskt material, avsatt från ytan av en vätska på ett fast ämne genom att nedsänka (eller sänka ut) det fasta substratet i (eller från) vätskan. Ett monoskikt adsorberas homogent vid varje nedsänknings- eller emersionssteg, så att filmer med mycket noggrann tjocklek kan bildas. Denna tjocklek är korrekt eftersom tjockleken på varje monolager är känd och kan därför läggas till för att hitta den totala tjockleken på en Langmuir–Blodgett-film.

Monoskikten är sammansatta vertikalt och är vanligtvis sammansatta antingen av amfifila molekyler (se kemisk polaritet ) med ett hydrofilt huvud och en hydrofob svans (exempel: fettsyror ) eller numera vanligen av nanopartiklar .

Langmuir–Blodgett-filmer är uppkallade efter Irving Langmuir och Katharine B. Blodgett, som uppfann denna teknik medan de arbetade inom forskning och utveckling för General Electric Co.

Historisk bakgrund

Framstegen mot upptäckten av LB- och LM-filmer började med Benjamin Franklin 1773 när han tappade ungefär en tesked olja på en damm. Franklin märkte att vågorna lugnades nästan omedelbart och att vågornas lugnande spred sig i ungefär en halv hektar . Vad Franklin inte insåg var att oljan hade bildat ett monolager ovanpå dammytan. Över ett sekel senare kvantifierade Lord Rayleigh vad Benjamin Franklin hade sett. Genom att veta att oljan, oljesyra , hade spridit sig jämnt över vattnet, beräknade Rayleigh att tjockleken på filmen var 1,6 nm genom att veta volymen av olja som tappade och täckningsområdet.

Med hjälp av sin diskbänk visade Agnes Pockels att filmområdet kan kontrolleras med barriärer. Hon tillade att ytspänningen varierar med förorening av vatten. Hon använde olika oljor för att härleda att yttrycket inte skulle förändras förrän området var begränsat till cirka 0,2 nm ² . Detta verk skrevs ursprungligen som ett brev till Lord Rayleigh som sedan hjälpte Agnes Pockels att publiceras i tidskriften Nature 1891.

    Sarfus -bild av ett Langmuir-monoskikt av stearinsyra (tjocklek = 2,4 nm)

Agnes Pockels arbete satte scenen för Irving Langmuir som fortsatte att arbeta och bekräftade Pockels resultat. Med hjälp av Pockels idé utvecklade han Langmuir (eller Langmuir–Blodgett) tråget. Hans observationer indikerade att kedjelängden inte påverkade det drabbade området eftersom de organiska molekylerna var anordnade vertikalt.

Langmuirs genombrott inträffade inte förrän han anställde Katherine Blodgett som sin assistent. Blodgett gick till en början för att söka jobb på General Electric ( GE ) med Langmuir under hennes jullov under hennes sista år på Bryn Mawr College , där hon tog en BA i fysik . Langmuir rådde Blodgett att hon skulle fortsätta sin utbildning innan hon arbetade för honom. Hon gick därefter på University of Chicago för sin MA i kemi . Efter att hon var klar med sin master anställde Langmuir henne som sin assistent. Men genombrott inom ytkemi skedde efter att hon tog sin doktorsexamen 1926 från Cambridge University .

När de arbetade för GE upptäckte Langmuir och Blodgett att när en fast yta sätts in i en vattenlösning som innehåller organiska delar, kommer de organiska molekylerna att avsätta ett monolager homogent över ytan. Detta är Langmuir–Blodgett-filmdeponeringsprocessen. Genom detta arbete inom ytkemi och med hjälp av Blodgett tilldelades Langmuir Nobelpriset 1932. Dessutom använde Blodgett Langmuir–Blodgett-film för att skapa 99 % transparent antireflexglas genom att belägga glas med fluorerade organiska föreningar, vilket bildade en enkel antireflexbeläggning .

Fysisk insikt

Langmuir-filmer bildas när amfifila (ytaktiva ämnen) molekyler eller nanopartiklar sprids på vattnet vid en luft-vattengränsyta. Ytaktiva ämnen (eller ytverkande ämnen) är molekyler med hydrofoba "svansar" och hydrofila "huvuden". När ytaktivt ämne är mindre än den lägsta ytkoncentrationen av kollaps och den är helt olöslig i vatten, arrangerar de ytaktiva molekylerna sig som visas i figur 1 nedan. Denna tendens kan förklaras av ytenergiöverväganden. Eftersom svansarna är hydrofoba, gynnas deras exponering för luft framför vatten. På samma sätt, eftersom huvudena är hydrofila, är interaktionen mellan huvud och vatten gynnsammare än interaktion mellan huvud och luft. Den totala effekten är minskning av ytenergin (eller motsvarande ytspänning av vatten).

Figur 1: Ytaktiva molekyler arrangerade på ett luft-vattengränssnitt

För mycket små koncentrationer, långt ifrån ytdensiteten som är kompatibel med kollapsen av monoskiktet (vilket leder till polylagerstrukturer) utför de ytaktiva molekylerna en slumpmässig rörelse på vatten-luft-gränsytan. Denna rörelse kan anses likna rörelsen hos idealgasmolekyler inneslutna i en behållare. Motsvarande termodynamiska variabler för det ytaktiva systemet är yttryck ( $\Pi$ ), ytarea (A) och antal ytaktiva molekyler (N). Detta system beter sig som en gas i en behållare. Tätheten av ytaktiva molekyler samt yttrycket ökar vid minskning av ytarean A ('kompression' av 'gasen'). Ytterligare komprimering av de ytaktiva molekylerna på ytan visar beteende liknande fasövergångar. "Gasen" komprimeras till "vätska" och i slutändan till en perfekt sluten packad samling av ytaktiva molekyler på ytan som motsvarar ett "fast" tillstånd. Vätsketillståndet separeras vanligtvis i vätskeexpanderat och vätskekondenserat tillstånd. Alla Langmuir-filmtillstånden klassificeras enligt filmernas kompressionsfaktor, definierad som -A(d ( $\Pi$ )/dA), vanligtvis relaterad till monoskiktets elasticitet i planet.

De kondenserade Langmuir-filmerna (vid yttryck vanligtvis högre än 15 mN/m – vanligtvis 30 mN/m) kan sedan överföras till ett fast substrat för att skapa välorganiserade tunnfilmsbeläggningar. Langmuir–Blodgett dalar

Förutom LB-film från ytaktiva ämnen som avbildas i figur 1, kan liknande monolager också tillverkas av oorganiska nanopartiklar.

Tryck-area egenskaper

Att lägga till ett monolager på ytan minskar ytspänningen och yttrycket, $\Pi$ ges av följande ekvation:

$\Pi =\gamma _{0}-\gamma$

där ${\displaystyle \gamma _{0}} är lika med$ vattnets ytspänning och $\gamma$ är ytspänningen på grund av monoskiktet. Men koncentrationsberoendet av ytspänning (liknande Langmuir isoterm ) är som följer:

$\gamma _{0}-\gamma =RTK_{H}C=-RT\Gamma$

Således,

$\Pi =RT\Gamma$

eller

$\Pi A=RT.$

Den sista ekvationen indikerar ett förhållande som liknar idealgaslagen . Koncentrationsberoendet av ytspänning är dock endast giltigt när lösningarna är utspädda och koncentrationerna är låga. Därför, vid mycket låga koncentrationer av det ytaktiva ämnet, beter sig molekylerna som idealiska gasmolekyler .

Experimentellt mäts yttrycket vanligtvis med hjälp av Wilhelmy-plattan . En trycksensor/elektrobalansarrangemang detekterar trycket som utövas av monoskiktet. Övervakas också området vid sidan av barriären där monoskiktet finns.

Figur 2. En Wilhelmy tallrik

En enkel kraftbalans på plattan leder till följande ekvation för yttrycket:

$\Pi =-\Delta \gamma =-\left[{\frac {\Delta F }{2(t_{p}+w_{p})}}\right]\approx -{\frac {\Delta F}{2w_{p}}},$

endast när $w_{p}\gg t_{p}$ . Här är $\ell _{p},w_{p}$ och $t_{p}$ plattans mått, och $\Delta F$ är skillnaden i krafter. Wilhelmy -plattans mätningar ger tryck-area isotermer som visar fasövergångsliknande beteende hos LM-filmerna, som nämnts tidigare (se figur nedan). I den gasformiga fasen är det minimal tryckökning för en minskning av arean. Detta fortsätter tills den första övergången inträffar och det sker en proportionell ökning av trycket med minskande area. Att flytta in i det fasta området åtföljs av ytterligare en skarp övergång till ett mer allvarligt områdesberoende tryck. Denna trend fortsätter upp till en punkt där molekylerna är relativt tätt packade och har väldigt lite utrymme att röra sig. Att applicera ett ökande tryck vid denna punkt gör att monoskiktet blir instabilt och förstör de monoskiktsbildande polyskiktsstrukturerna mot luftfasen. Yttrycket under monolagerkollapsen kan förbli ungefär konstant (i en process nära jämvikten) eller kan sjunka abrupt (ur jämvikt - när yttrycket var alltför ökat eftersom lateral kompression var för snabb för monomolekylära omarrangemang).

Figur 3. (i) Yttryck – Areaisotermer. (ii) Molekylär konfiguration i de tre regionerna markerade i $\Pi$ -A-kurvan; (a) gasfas, (b) vätskeexpanderad fas och (c) kondenserad fas. (Anpassad från Osvaldo N. Oliveira Jr., Brazilian Journal of Physics, vol. 22, nr 2, juni 1992)

Ansökningar

Många möjliga tillämpningar har föreslagits under åren för LM- och LB-filmer. Deras egenskaper är extremt tunna filmer och hög grad av strukturell ordning. Dessa filmer har olika optiska, elektriska och biologiska egenskaper som är sammansatta av några specifika organiska föreningar. Organiska föreningar har vanligtvis mer positiva svar än oorganiska material för yttre faktorer ( tryck , temperatur eller gasförändring). LM-filmer kan också användas som modeller för ett halvt cellulärt membran.

• LB-filmer bestående av nanopartiklar kan användas för att till exempel skapa funktionella beläggningar, sofistikerade sensorytor och för att belägga kiselwafers.
• LB-filmer kan användas som passiva skikt i MIS (metall-isolator-halvledare) som har mer öppen struktur än kiseloxid , och de tillåter gaser att penetrera till gränssnittet mer effektivt.
• LB-filmer kan också användas som biologiska membran . Lipidmolekyler med fettsyradelen av långa kolkedjor bundna till en polär grupp har fått utökad uppmärksamhet på grund av att de är naturligt lämpade för Langmuir-metoden för filmproduktion. Denna typ av biologiskt membran kan användas för att undersöka: läkemedlets verkningssätt , permeabiliteten hos biologiskt aktiva molekyler och kedjereaktionerna i biologiska system.
• Det är också möjligt att föreslå fälteffektanordningar för att observera det immunologiska svaret och enzym-substratreaktioner genom att samla biologiska molekyler såsom antikroppar och enzymer i isolerande LB-filmer.
• Antireflexglas kan tillverkas med på varandra följande lager av fluorerad organisk film.
• Glukosbiosensorn kan vara gjord av poly( 3 -hexyltiopen) som Langmuir-Blodgett-film, som fångar glukosoxid och överför den till en belagd indium - tenn - oxidglasplatta .
• UV-resist kan tillverkas av poly(N-alkylmetakrylamid) Langmuir–Blodgett-film.
• UV-ljus och konduktivitet för en Langmuir–Blodgett-film.
• Langmuir–Blodgett-filmer är till sin natur 2D-strukturer och kan byggas upp lager för lager genom att doppa hydrofoba eller hydrofila substrat i en flytande subfas.
• Langmuir–Blodgett mönstring är ett nytt paradigm för mönstring med stora ytor med mesostrukturerade funktioner
• Nyligen har det visat sig att Langmuir-Blodgett är en effektiv teknik även för att producera ultratunna filmer av framväxande tvådimensionella skiktade material i stor skala.

Se även

• Brewster vinkelmikroskop
• Langmuir–Blodgett tråg
• Liposom
• Nanopartikelavsättning
• Självmonterade monolager
• Wilhelmy tallrik

Bibliografi

• RW Corkery, Langmuir, 1997, 13 (14), 3591–3594
• Osvaldo N. Oliveira Jr., Brazilian Journal of Physics, vol. 22, nr. 2, juni 1992
• Roberts GG, Pande KP och Barlow, Phys. Technol., vol. 12, 1981
• Singhal, Rahul. Poly-3-hexyltiopen Langmuir-Blodgett-filmer för applicering på glukosbiosensor. National Physics Laboratory: Biotechnology and Bioengineering, s 277-282, 5 februari 2004. John and Wiley Sons Inc.
• Guo, Yinzhong. Framställning av poly(N-alkylmetakrylamid) Langmuir–Blodgett-filmer för applicering på en ny torrframkallad positiv djup UV-resist. Macromolecules, p1115-1118, 23 februari 1999. ACS
• Franklin, Benjamin, Av vågornas stilla med hjälp av olja. Brev till William Brownrigg och pastor Mr. Farish. London den 7 november 1773.
• Pockels, A., Ytspänning, Nature, 1891, 43, 437.
• Blodgett, Katherine B., Användning av gränssnitt för att släcka reflektion av ljus från glas. Physical Review, 1939, 55,
• A. Ulman, en introduktion till ultratunna organiska filmer från Langmuir-Blodgett till självmontering, Academic Press, Inc.: San Diego (1991).
• IR Peterson, "Langmuir Blodgett Films", J. Phys. D 23, 4, (1990) 379-95.
• IR Peterson, "Langmuir Monolayers", i TH Richardson, Ed., Functional Organic and Polymeric Materials Wiley: NY (2000).
• LS Miller, DE Hookes, PJ Travers och AP Murphy, "A New Type of Langmuir-Blodgett Trough", J. Phys. E 21 (1988) 163-167.
• IRPeterson, JDEarls. IRGirling och GJRussell, "Disclinations and Annealing in Fatty-Acid Monolayers", Mol. Cryst. Liq. Cryst. 147 (1987) 141-147.
• Syed Arshad Hussain, D. Bhattacharjee, "Langmuir-Blodgett Films and Molecular Electronics", Modern Physics Letters B vol. 23 nr 27 (2009) 3437–3451.
• AMBibo, CMKnobler och IRPeterson, "A Monolayer Phase Mixibility Comparison of the Long Chain Fatty Acids and Their Ethyl Esters", J. Phys. Chem. 95 (1991) 5591-5599.
• Syed Arshad Hussain, Bapi Dey, D. Bhattacharjee, N. Mehta, "Unique supramolecular assembly through Langmuir – Blodgett (LB) technique", Heliyon (2018) Volym 4, nummer 12, december 2018, e01038.