Szerkesztő:Valkais/Langmuir–Blodgett film

Langmuir-film, amely folyékony-kondenzált fázisban levő, komplex foszfolipidekből áll, víz fázison lebegve, Brewster mikroszkóppal leképezve.

A Langmuir–Blodgett (LB) film egyre inkább elterjedő technika a nanotechnológiában 2D-s heterostruktúrák előállítására. Ezeket úgy hozzák létre, hogy Langmuir filmeket – vagy Langmuir monorétegeket (LM) a folyadék-gáz határfelületről szilárd hordozókra juttatják. Az LB filmek egyrétegű (monoréteg) szerves anyagok rétegei, amiket a folyadék felületéről szilárd anyagra raknak le úgy, hogy azt bemerítik (vagy kiemelik) a folyadékba (vagy abból). Minden bemerítési vagy kiemelési lépésnél egy egybefüggő (homogén) monoréteg rakódik le. Ezzel a rétegzési módszerrel a hordozón a bemerítések során nagyon pontos vastagságú filmek alakíthatók ki. Ezt az biztosítja hogy az egyes monorétegek vastagsága nagyon pontosan ismert, így a belőlük összerakott Langmuir–Blodgett film teljes vastagsága is pontosan meghatározható.

Langmuir-Blodgett réteg létrehozása. A művelet során a szélen levő gátak mozgatásával érik el az állandó felületi nyomást. A baloldali képen a folyadékból kiemelt hordozó mindkét felületén létrejön a monoréteg, ebben az esetben a folyadékot jól nedvesítő bemerített felületen a molekulák fejcsoportjai (szürke körök) tapadnak meg. A jobboldali képen mutatott módnál a bevonandó felület nem nedvesíti a folyadékot, ezért azon a farok csoportok tapadnak meg az alsó felületén.

Leggyakrabban függőleges monorétegekből állítják össze a filmeket, általában amfifil molekulákból (hidrofil fejjel és hidrofób farokkal, például: zsírsavak) vagy nanorészecskékből.

A Langmuir–Blodgett filmek Irving Langmuir és Katharine B. Blodgett nevéhez fűződik, akik a General Electric Co. kutatási és fejlesztési részlegénél dolgozták ki ezt a technikát.

Történelmi gyökerek

Az LB és LM filmek felfedezése Benjamin Franklinnél kezdődött 1773-ban, amikor körülbelül egy teáskanál olajat öntött egy tóba. Franklin észrevette, hogy a hullámok szinte azonnal elcsitultak, és ez kiterjdt körülbelül fél hektárra. Amit Franklin nem vett észre, hogy az olaj monoréteget képezett a tó felszínén. Több mint egy évszázaddal később Lord Rayleigh számszerűsítette, amit Benjamin Franklin tapasztalt. Tudván, hogy az olaj (olajsav) teljes térfogata egyenletesen szétterül a vízen, Rayleigh kiszámította, hogy a film vastagsága 1,6 nm, (vagyis 0,0000016 mm) a beleöntött olaj térfogata és az általa elfoglalt vízfelület ismeretében.

Agnes Pockels mosogatójában megmutatta, hogy a víz felszínén lebegő filmek területe, beiktatott gátakkal szabályozható. Azt is megfigyelte, hogy a felületi feszültség a víz szennyezettségének függvényében változik. Különböző olajokat használva arra a következtetésre jutott, hogy a felületi nyomás addig nem változik, amíg a vizsgált réteg felülete körülbelül 0,2nm ² -re nem csökken. Ezt eredetileg Lord Rayleigh- nek írta meg, aki aztán segített neki abban, hogy munkája megjelenjen a Nature folyóiratban 1891-ben.

Sarfus kép egy Langmuir monorétegű sztearinsavról (vastagság = 2,4 nm)

Agnes Pockels munkájára támaszkodott Irving Langmuir. Folytatta a kutatást és megerősítette Pockels eredményeit. Az ő ötletét felhasználva fejlesztette ki a Langmuir (vagy Langmuir–Blodgett ) vályút. Megfigyelései azt mutatták, hogy a molekulában a lánc hossza nem befolyásolta az érintett területet, mivel a szerves molekulák függőlegesen helyezkedtek el (párhuzamos láncokkal).

Langmuir áttörése csak akkor következett be, amikor fel nem bérelte Katherine Blodgettet asszisztensnek. Blodgett először a General Electricnél ( GE ) ment állást keresni Langmuirhoz, a Bryn Mawr College -ban töltött évének karácsonyi szünetében, ahol fizikából BA diplomát szerzett. Langmuir azt tanácsolta Blodgettnek, hogy folytassa tanulmányait, mielőtt neki dolgozna. Ezt követően a Chicagói Egyetemre járt kémia MA-ra. Miután befejezte a mesterképzést, Langmuir felvette őt asszisztensnek. Áttörések történtek a felületi kémiában, miután 1926-ban PhD fokozatot szerzett a Cambridge-i Egyetemen.

vagy másképpen:

Nyomás-terület összefüggések

Monoréteg hozzáadása a felülethez csökkenti a felületi feszültséget. A $\Pi$ felületi nyomást a következő egyenlet adja meg:

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

ahol $\gamma _{0}$ a víz felületi feszültsége és $\gamma$ a monoréteg által kialakított felületi feszültség. A felületi feszültség koncentrációfüggése (hasonlóan Langmuir izotermához) a következő:

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

Így,

$\Pi =RT\Gamma$

Kísérletileg a felületi nyomást általában a Wilhelmy-lemez segítségével mérik. Ebben az esetben a mérőberendezésben egy nyomásérzékelő, vagy egy mérleg méri a monoréteg által kifejtett nyomást. Közben folyamatosan mérik a vizsgált monoréteg területét is (ami a Langmuir-Blagdgett vályú gátján belül található.)

$\Pi A=RT.$

Az utolsó egyenlet hasonlít az ideális gáz törvényéhez. A felületi feszültség koncentráció-függése azonban csak akkor érvényes, ha az oldatok hígak és a koncentrációk alacsonyak. A felületaktív anyag molekulái nagyon alacsony koncentrációinál ideális gázmolekulákként viselkednek.

Wilhelmy- lemez

Egy egyszerű erőkiegyenlítés a lemezen a következő egyenlethez vezet a felületi nyomásra:

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

</img>



</br> 3. ábra. (i) Felületi nyomás – Területi izotermák. (ii) Molekuláris konfiguráció az alábbi három régióban $\Pi$ -Egy görbe; (a) gázfázis, (b) folyadékkal expandált fázis és (c) kondenzált fázis. (Adaptált Osvaldo N. Oliveira Jr., Brazilian Journal of Physics, 22. kötet, 2. szám, 1992. június)

Alkalmazások

Az LM és LB filmekre jjellemző a rendkívüli vékonyság és a nagyfokú szerkezeti rendezettség. Ezek a szerves vegyületekből álló filmek érdekes és sok alkalmazásban igen hasznos, optikai, elektromos és biológiai tulajdonságokkal rendelkeznek. A szerves vegyületek általában egyértelműbben reagálnak a külső tényezőkre (nyomás, hőmérséklet), mint a szervetlen anyagok. Az LM filmek fél sejtmembrán (belső, vagy a külső felületének) modelljeként is használhatók.

Jegyzetek

[[Kategória:Fázisállapotok]] [[Kategória:Nanotechnológia]]