Tehnica filmului Langmuir-Blodgett

Gergely Antal, Noémi Rozlosnik

Introducere

1. Filme Langmuir

Filmele Langmuir sunt agenți tensioactivi (detergenți) care sunt localizați la interfața a două medii diferite pentru a forma un singur strat coerent. Aceste două medii sunt în mare parte lichid-gaz (acest lucru va fi discutat mai târziu), mai puțin frecvent lichid-lichid.
Detergenții conțin, de asemenea, molecule amfifile, adică resturi hidrofile și hidrofobe. Partea hidrofilă poate fi de ex. carboxil sau un sulfat, amină sau alcool. Aceste grupuri polare atrag medii polare în mod similar, cum ar fi apa. Printre forțele dintre ele se numără tipul Coulomb (

1/r 2, unde r este distanța dintre molecule). Grupuri hidrofobe (sau oleofile), de ex. diferitele lanțuri de hidrocarburi sunt mult mai puțin solubile (sau deloc) solubile în apă, iar forțele care acționează între ele sunt în primul rând ale lui van der Waal (

Structura filmului Langmuir, gradul de aranjare al acestuia, pot fi urmărite doar indirect, dar foarte precis: profitând de faptul că aranjamentul are ca rezultat o scădere continuă a tensiunii superficiale a lichidului, care schimbă, așa-numitul presiunea suprafeței poate fi ușor măsurată.
Aceste monostraturi plutitoare acționează ca membrane flexibile în timpul compactării-expansiunii repetate. Dacă filmul este supra-comprimat, acesta se va sparge, pierzându-și proprietățile elastice; unele dintre molecule sunt forțate în afara planului monomolecular, formând două sau mai multe straturi sau „tururi ale molelor” (Figura 2) în partea superioară a filmului Langmuir. În plus, moleculele de detergent pot fi dizolvate în subfază (de exemplu, prin formarea micelelor), în funcție de echilibrul amfipatic.

2. Tehnica Langmuir-Blodgett

Filme Langmuir-Blodgett pe suport solid, plat, așa-numitele constau din straturi monomoleculare depuse secvențial pe un substrat, filme Langmuir. Dacă un substrat pregătit corespunzător cu proprietățile adecvate este mutat încet, perpendicular pe interfața aer-fază, acesta va rupe pelicula Langmuir, care se poate lega apoi de substrat atunci când este netezită și acoperită cu un strat monomolecular.
După ce primul strat a fost setat și aplicat - în cazul „norocos” - se adaugă straturi suplimentare la substrat de fiecare dată când acesta trece prin interfața aer-fază. (În cazul „nefericit”, primul strat de legătură nu este urmat de o legare ulterioară și chiar și acest prim strat poate „înmuia” substratul la următoarea trecere a limitei aer-lichid. În general, dacă direcția limită lichid-substrat menisc și direcția de mișcare a substratului coincid, reușită În acest fel, poate fi produsă o peliculă multistrat, a cărei grosime poate fi estimată din produsul lungimii lanțului molecular individual și numărul de traversări ale interfeței substratului legate de film (Figura 3).

Substraturile pot fi împărțite în două grupe principale: hidrofob și hidrofil. Substratul hidrofob are ca rezultat legarea peliculei la prima imersiune, lanțurile de hidrocarburi hidrofobe aderă la suportul hidrofob, de asemenea (Figura 4).

În cazul unui substrat hidrofil, numai transferul dezordonat are loc în timpul primei imersiuni, deoarece lanțurile hidrofobe sunt respinse de purtătorul cufundat în lichidul însuși, în timp ce în timpul extracției ulterioare, filmul Langmuir aderă la substrat cu jumătatea hidrofilă (Fig. 5). Pentru ambele tipuri de substrat, straturile suplimentare aderă unul la altul în poziții alternative în timpul trecerilor de frontieră.

3. Cada Langmuir

Baia Langmuir (Fig. 6) este un dispozitiv potrivit pentru aranjarea monostraturilor de materiale amfifile, măsurarea izotermelor suprafeței de presiune a suprafeței și transferarea monostratelor asamblate pe un suport solid. Părțile sale principale sunt o cadă din teflon (a), un (sau două) deflector mobil din teflon (b), un manometru de suprafață (c) și un dispozitiv de scufundare (d) pentru deplasarea substratului.

Cada este fabricată din teflon (politetrafluoretilenă), care este în multe privințe cea mai potrivită scopului: nu contaminează subfaza, este inactiv din punct de vedere chimic, nu se dizolvă în subfază și are cele mai hidrofobe proprietăți ale polimerilor cunoscuți ( de exemplu, apa umplută poate umfla până la câțiva milimetri înălțime).
Baza pentru măsurarea presiunii de suprafață este napolitana Wilhelmy (Fig. 6, c), o mică cromatografie sau hârtie de filtru suspendată la interfața aer-lichid și încercată să fie trasă în subfază de o forță din tensiunea superficială a lichidului. . Dacă o substanță străină (detergent) se răspândește pe suprafața lichidului, tensiunea superficială scade într-o asemenea măsură încât energia liberă a suprafeței este minimizată. Forța care acționează asupra inserției de hârtie poate fi măsurată cu o microbalanță.

4. Fazele monostratului plutitor

După ce surfactantul este aplicat pe suprafață, până când moleculele sunt compactate, acestea plutesc liber, se deplasează pe suprafață și pot ciocni unele cu altele; se comportă ca un gaz bidimensional și poate fi caracterizat prin „legea generală a gazelor” corespunzătoare:

unde presiunea de suprafață, A f este aria suprafeței lichidului acoperită de monostrat, N este numărul de molecule de detergent, k este constanta Boltzmann și T este temperatura termodinamică. Introducând cantitatea A: = A f/N, care este suprafața medie a lichidului pe moleculă de detergent, ecuația noastră este modificată la următoarea formă:

Prin variația zonei disponibile pentru moleculele amfifile la o temperatură constantă, graficul rezultat al zonei de presiune este cunoscut sub numele de izotermă, conform analogiei gazelor. Forma izotermei este caracteristică agentului tensioactiv particular; conține secțiuni de pante diferite, care atestă ordinea filmului și tranzițiile de fază care au loc în acesta, în timp ce acesta este comprimat prin intermediul unui perete deflector (Fig. 7).

5. Materii prime de film LB

Cele mai utilizate materiale care formează pelicule sunt acizii grași cu lanț lung, sărurile lor, alcoolii cu lanț lung și diferite lipide. Grupa lanțului hidrocarbonat (saturat sau nesaturat) oferă proprietățile hidrofuge ale acestor materiale, în timp ce grupările polare -COOH și -OH au o afinitate adecvată a apei pentru a atașa moleculele la subfaza apoasă. Lungimea lanțului de hidrocarburi este, de asemenea, critică: de ex. în cazul acizilor carboxilici saturați, lanțul de carbon hidrofob trebuie să aibă o lungime de cel puțin 13 unități de carbon; dacă este mai mică decât aceasta, substanța este solubilă în apă.
Eficiența grupurilor funcționale atașate lanțului de hidrocarburi care sunt responsabile de legarea la faza apoasă sunt rezumate în Tabelul I:

6. Solvenți

Există unele materiale formatoare de film Langmuir care se pot răspândi spontan pe suprafața lichidului. Astfel de proprietăți sunt de ex. uleiuri vegetale. Cu toate acestea, majoritatea materialelor pot fi dizolvate corect într-un solvent volatil și transferate în subfază. Solventul utilizat trebuie ales cu atenție, deoarece afectează proprietățile de formare a filmului solutului. A II. Tabelul 1 prezintă proprietățile unora dintre solvenții utilizați în aplicarea materialelor filmogene Langmuir:

7. Substraturi

Substraturile, așa cum am discutat deja, sunt de obicei împărțite în două grupe pe baza proprietăților lor de suprafață; există substraturi hidrofile și hidrofobe. Diapozitivul standard (26x76 mm) pentru microscop, placheta de siliciu semiconductoare lustruită și placa de mică fântână sunt purtători excelenți de film LB cu proprietăți hidrofile în stare pură.
(Siliciul expus la aer formează întotdeauna un strat de oxid coeziv - acest lucru face ca suprafața sa să fie hidrofilă.) În plus, sunt utilizate nenumărate alte suprafețe (de exemplu, inserții realizate dintr-un amestec de pământ diatomeu (SiO 2) și siliciu etc.). Substraturile hidrofile pot fi redate hidrofobe prin proceduri adecvate de tratament.

8. Subfaza

Cea mai frecvent utilizată subfază pentru studiul filmelor monomoleculare este apa ultrapură; cu toate acestea, acesta nu este singurul fluid tampon utilizat. Există, de asemenea, subfaze care, pe lângă apă, conțin aditivi suplimentari (de exemplu HEPES, NaCI, NaNO3, NaHCO3, NaOH); acești aditivi sunt în primul rând reglarea și stabilizarea pH-ului, așa-numiții are un rol tampon. Alte fluide cu tensiune superficială ridicată precum glicolul, glicerina și mercurul pot fi, de asemenea, subfaze adecvate. Cu toate acestea, nu trebuie trecut cu vederea faptul că subfaza constă de obicei din componente interdependente: o modificare a unui echilibru de ionizare afectează deseori și celelalte echilibre din cadrul subfazei.
La concentrații scăzute (

10 -4 M) ionii metalici divalenți amestecați în subfază pot lega moleculele de acizi grași de suprafață de oxigenul lor carboxilic cu o legătură ionică sau covalentă, în funcție de diferența de electronegativitate dintre oxigenul acidului carboxilic și contracordurile metalice două (de exemplu, alcalino-pământ)., Ca, Mg etc.) sau mai puțin (de exemplu, Cd, Mn, Pb etc.). Figura 8 ilustrează legătura covalentă a Cd cu acizii grași. Amestecarea ionilor metalici bivalenți într-o subfază și schimbarea pH-ului subfazei oferă un domeniu larg de control al proprietăților monostrat și al transferului multistrat.

9. Înregistrarea filmului

Cea mai obișnuită metodă de aplicare a filmului este deplasarea substratului pe verticală folosind un „lift” motorizat (bazin) (Figura 6, d). Viteza de scufundare sau retragere trebuie să fie lentă (câțiva mm/min) pentru a face transferul cât mai lin.
Poate fi posibil ca materialul amfifilic să adere la substratul hidrofil în maximum un strat în timpul imersiei în serie (de exemplu, în cazul lipidelor). Un strat suplimentar poate fi apoi aplicat prin „împingerea” uniformă a substratului în jos uniform (de exemplu, cu o pereche de pensete) paralelă cu suprafața lichidă la interfață; între timp, un alt strat aderă la substrat, într-o poziție opusă stratului aplicat anterior. Acest așa-numit Tehnica Langmuir-Schaefer.
Asa numitul măsurarea raportului de transfer (TR) oferă informații fiabile despre eficiența și amploarea înregistrării filmului. Definiție:

Această rată poate fi ușor determinată, deoarece aria substratului poate fi ușor calculată, în timp ce aria monostratului transferat trebuie să fie egală cu scăderea suprafeței subfazei acoperite cu amfifil în timpul transferului în cazul unui transfer clar, într-un singur sens (!).

10. Aplicații biologice

Întrebări de verificare

Ce sunt filmele Langmuir?
Cum facem filme Langmuir? Care sunt proprietățile și fazele sale?
Ce sunt filmele LB? Cum se produce?
Ce este o cadă LB? Care sunt principalele părți și pentru ce sunt folosite?
Care ar trebui să fie proprietățile materialelor de filmare? Ce se folosesc?
Care sunt tipurile de bază de substraturi? Cum afectează filmările?
Care pot fi sarcinile subfazei?
Ce este o izotermă? Care este rata de transfer?
Ce aplicații biologice pot avea filmele Langmuir și LB?