Глава 7 Нанодисперсии, прямые и обратные мицеллы, микроэмульсии, наноструктурированные гели, жидкие кристаллы, ленгмюровские пленки
Типы наноструктур в жидкости 1. Системы твердое –жидкость: Твердые частицы – нанодисперсия 2. Системы газ – жидкость: Газовые пузырьки 3. Системы жидкость – жидкость: неравновесные системы – нанодисперсия термодинамически устойчивые – микроэмульсия 4. Ассоциаты молекул в растворителе: Мицеллы (сферические, несферические, солюбилизированные) Наноструктурированные гели Жидкие кристаллы Везикулы (липосомы) 5. Структуры на поверхности жидкости
Наночастицы в жидкой среде • Устойчивость систем с наночастицами – броуновское движение • Наночастицы и свет
Системы твердое –жидкость • Твердые частицы – нанодисперсия: • Магнитные жидкости
Системы газ – жидкость Traces of nanobubbles determine nano-boiling Ultra-highspeed photographs of microbubbles forming on a microheater show the effect of residual nanobubbles between heating pulses. The first pulse of a two-pulse sequence (a) produces nearly identical microbubbles time after time, but the second pulse (b) produces a random assortment of bubbles of varying sizes. Vertical bar shows a distance of 15 micrometers.
Micro-Nano-Bubble generator built-in pump with the capacity from 500 to 6000 l/min. stably generates ultrafine bubbles. (15000 l/min). The bubble which is 0. 001 mm to 0. 05 mm big is defined as micro-nano-bubble (ultrafine bubble). Most of the bubbles are smaller than 0. 02 mm (20µm) in diameter. The pump can handle air containing liquid up to 7%. Ultrafine bubbles of ozon, oxygen or air is able to function to purify, disinfect or recycle in a large variety of application: in the fields of nature: water in the river, pond and sea. in the fields of industry: factory wastewater, drinking and sewage water. in the fields of fishery: aquafarming.
Нанопузыри в объеме и на поверхности The green circles are the nanobubbles on a solid. The bubbles are about 10 nm high and 1000 nm across at the base. Credit: Xuehua Zhang
Аномально устойчивые газовые наношляпки Диаметр такой воздушной шляпки достигает порядка 100 нм, а высота – 10 нм. () Время жизни такой воздушной шляпки – несколько часов водоотталкивающий, водонепроницаемый материал The nanobubbles that develop on submerged surfaces should not really be able to exist. Because of the enormous internal pressure, they should disappear within a short time. Nevertheless, they sometimes last for hours: an unexplained phenomenon. Michael P. Brenner, Detlef Lohse Phys. Rev. Lett. 101, 214505 (2008)
Тающая сосулька Судьба маленькой капли зависит от того, какой толщины была перемычка, превратившаяся в капельку, а толщина перемычки зависит от того, насколько остра тающая сосулька. Я. Е. Гегузин. Капля, М. , "Наука", 1977 г.
Антипузыри Поверхности воды и капли покрыты молекулами поверхностно-активного вещества, обращёнными гидрофобными концами наружу. Падающая капля увлекает за собой тонкий слой воздуха; вокруг него смыкается изогнутая поверхность воды, образуя сферическую воздушную плёнку — атипузырь. Антипузыри в пиве
Системы жидкость – жидкость • неравновесные системы – нанодисперсия • термодинамически устойчивые – микроэмульсия
Микроэмульсии - прозрачные или полупрозрачные термодинамически устойчивые , (образующиеся самопроизвольно) жидкие, однофазные и оптические изотропные системы, составленные из масла, воды и ПАВ. Размер капель микроэмульсии обычно 10 нм -100 нм (чаще 10 -20 нм), у обычных эмульсий около 1 мкм. .
Свойства микроэмульсии Микроэмульсии объединяют в одной фазе низкой вязкости до 45% воды и 45 % масла при 10% ПАВ и с очень низким значением межфазного натяжения микроэмульсии с масляной и водной фазами. Она образуется самопроизвольно, когда из-за присутствия ПАВ поверхностное натяжение на границе масло-вода уменьшается до очень низких значений от 50 дин/см (без амфифила) до 10 -2 дин/см. (ПАВ - это часто смесь амфифила и ко-ПАВ, обычно спирта с цепями средней длины). Микроэмульсии - энтропийно стабилизированные системы, т. е. системы стабилизированные (образующиеся самопроизвольно) за счет энтропийных факторов.
Таким образом в системах с микроэмульсиями могут быть три несмешивающиеся друг с другом фазы. Могут быть неводные микроэмульсии (Фриберг, 1984 г. ) - система лецитин, декан, этиленгликоль.
Коммерческие микроэмульсии: AQUAFIN®-SMK (АКВАФИН-СМК)
Микроэмульсии компании Wynn's France
Стабилизация эмульсий наночастицами
Эмульсии с нанодисперсией a b Microphotographs of emulsions with nanodispersion droplets formed at the diffusion of ethanol a) C = 1. 5 M (x 75000); b) C = 2. 5 M (x 75000); c) at the water diffusion through Ostwald ripening (x 120000) c
Нанодисперсия в жидкости
Капли нанодисперсии
Ассоциаты молекул в растворителе • Мицеллы (сферические, несферические, солюбилизированные) • Наноструктурированные гели • Жидкие кристаллы • Везикулы (липосомы)
Гели - структурированные коллоидные системы с жидкой дисперсионной средой. Студенистые тела, механические свойства которых в большей или меньшей степени подобны механическим свойствам твердых тел. Частицы дисперсной фазы соединены между собой в рыхлую пространственную сетку, которая содержит в своих ячейках дисперсионную среду, лишая текучести систему в целом.
Фосфолипидные гели, липосомы Пространственная структура фосфолипидного органогеля построена из нитевидных (цилиндрических) наночастиц - мицелл лецитина диаметром 2 - 3 нм и длиной десятки нм Фосфолипидные органогели способны ускорять перенос веществ через кожу за счет взаимодействия мицелл фосфолипида с верхними слоями кожи (аналогично липосомам ). В состав геля можно вводить как маслорастворимые компоненты, так и водорастворимые.
Жидкие кристаллы - состояние вещества, в котором оно при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе), обладает как свойствами жидкости (текучестью), так и свойствами твердого кристалла (анизотропией свойств - оптических, электрических, магнитных и др. ) при отсутствии трехмерного дальнего порядка в расположении частиц. Молекулы жидкокристаллических соединений обладают стержнеобразной или дискообразной формой и имеют тенденцию располагаться преимущественно параллельно другу. Жидкие кристаллы термодинамически устойчивы. Термотропные жидкие кристаллы существуют в определенном температурном интервале. Лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении некоторых веществ в определенных растворителях.
Типы жидкокристаллических структур а – нематические, имеют наименьшую упорядоченность, молекулы параллельны, но сдвинуты вдоль своих осей одна относительно другой на произвольные расстояния. От греческого «нить» б – смектические, молекулы не только параллельны другу, но и расположены слоями. От греческого слоя «мыло» . в – холестерические Отличаются от нематических дополнительным закручиванием молекул в направлении, перпендикулярном их длинным осям.
EFFECT OF LIQUID CRYSTAL FORMATION ON VISCOSITY System Ni(DEHP • H 2 O)2 - octanol 100 mm Shear rate 10 s-1, T=20 °C The picture of the liquid crystals under a polarizing microscope. I - liquid crystal; II - solution Concentration of octanol 25 % wt.
Фазовая диаграмма Система Д 2 ЭГФNa - декан - вода при 20 С. 1 - микроэмульсия в/м (МЭ), 2 – ламеллярные жидкие кристаллы (ЖК), 3 - раствор Д 2 ЭГФ Na и воды в декане – МЭ, 4 - МЭ – ЖК, 5 - раствор Д 2 ЭГФ Na и воды в декане – МЭ – ЖК, 6 - раствор Д 2 ЭГФ Na и воды в декане – ЖК.
НАНОСТРУКТУРЫ в жидкости в химической технологии Наноструктуры в окружающей среде Использование наноструктур Определение и очистка от нанодисперсии (water and wastewater treatment, transport and transformation processes in the environment. Создание Активные компоненты: соответствующей экстрагенты, Removal of particles by Sedimentation среды катализаторы, Flotation супрамолекулы и пр. Filtration Membrane processes)
РАЗДЕЛЕНИЕ И СЕЛЕКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ В ЖИДКИХ СИСТЕМАХ • Гравитационная и магнитная сепарация в магнитных жидкостях • Экстракция из жидкой фазы (мицеллярная экстракция, мембранная экстракция с нанодисперсией, микроэмульсии) • Извлечение веществ из твердой фазы (выщелачивание с использованием мицелл, микроэмульсии, нанодисперсии) • Мицеллы и наночастицы в хроматографии и электрофорезе (мицеллярная ВЭЖХ, мицеллярная электрокинетическая хроматография и пр. ) • Экстракция в точке помутнения и при коацервации – используется образование дисперсной фазы • Мембранные методы с наноструктурами (мицеллярная ультрафильтрация, жидкие мембраны и др. ) • Селективный транспорт веществ в везикулах и липосомах • Катализ: мицеллярный катализ, катализ в микроэмульсии – каталитические свойства и большая удельная поверхность • Супрамолекулярные структуры –супермолекулы, супрамолекулярные ансамбли и устройства
Микроэмульсионное выщелачивание Микроэмульсионное выщелачивание – извлечение целевого продукта микроэмульсией или мицеллярным раствором 1 непосредственно из твердой фазы – руды, концентрата, шлама. При этом соединяются в одну стадию процессы выщелачивания и экстракции. 2
Экстракция холестерина во множественной эмульсии • I – область предельной адсорбции ПАВ на межфазной поверхности в эмульсии, • II и III – области существования сферических и несферических мицелл в жидкой мембране. 1 – Span-80, 2 – Hostacerin DGO.
Структуры на поверхности жидкости
Пленки в древнем Вавилоне Клинопись, имеющая давность около 4000 лет, обнаруженной в развалинах древнего Вавилона. В ней описано применение сезамового масла для предсказания судьбы. Жрец добавлял несколько капель масла в плоскую деревянную чашу, наполненную водой, и, глядя на ее поверхность по цвету и движению пленки масла предсказывал события в общественным и частных делах. Трернит Г. Мономолекулярные слои, М. , ИЛ, 1956, стр. 9 -24.
Пленки в древнем мире • Растительное масло в древнем Египте было известно как эффективное средство гашения волн во время бури. • На фресках Помпеи изображена группа лиц, пускающих радужные мыльные пузыри. • Франклин обсуждал со своими коллегами старые записки Плиния и др.
Бенджамин Франклин – опыты на пруду • When describing the history of Langmuir or Langmuir-Blodgett films one is bound to start with an American statesman, Benjamin Franklin, who in 1774 reported the following to the British Royal Society: • "At length at Clapman where there is, on the common, a large pond, which I observed to be one day very rough with the wind, I fetched out a cruet of oil, and dropped a little of it on the water. I saw it spread itself with surprising swiftness upon the surface. . the oil, though not more than a teaspoonful, produced an instant calm over a space several yards square, which spread amazingly and extended itself gradually until it reached the leeside, making all that quarter of the pond, perhaps half an acre, as smooth as a looking glass. " (1 акр ~ 4000 м 2) • Had Franklin made some simple quantitative calculations he would have found out that if a teaspoonful (2 ml) of oil is spread over an area of half an acre, the thickness of the film on the surface of water must be less than 2 nm.
Mount Pond (Clapman Common) um 1825
http: //www. uni-kiel. de/anorg/lagaly/group/klaus. Schiver/pockels. pdf Эксперименты Агнес Поккельс • Agnes Luise Wilhelmine Pockels (1862 in Venice , Italy , – 1935 ), was a German hausfrau and pioneer in chemistry. • Агнес Поккельс в своей кухонной раковине (в собственной ванне) принялась измерять поверхностное натяжение воды, загрязненной мылом. Оказалось, что сплошная мыльная пленка заметно понижает поверхностное натяжение.
Pockels, A. Nature, 46 (1892) 418. Pockels, A. Nature, 43 (1891) 437.
Агнес Поккельс и лорд Релей • О своих опытах Поккельс написала знаменитому английскому физику и математику лорду Релею, а тот направил письмо в научный журнал, снабдив своими комментариями. • Затем Релей сам воспроизвел опыты Поккельс и пришел к выводу: «Наблюдаемые явления выходят за рамки лапласовской теории, и их объяснение требует молекулярного подхода» .
Измерение поверхностного давления Поверхностное давление – есть разность между силой действующей на пластинку погруженную в чистую воду и силой действующей на пластинку погруженную в воду, поверхность которой покрыта монослоем: ΔF=2( σ’- σ)(t+w), где σ’ – поверхностное натяжение чистой воды. Для пластинки Вильгельми характерно t<<w, а разность (σ ’- σ) – называется поверхностным давлением и обозначается - π . Тогда поверхностное давление π = ΔF/2 t = Δmg/2 t [Н/м], где m – измеряемая весами Вильгельми величина.
Langmuir, I. J. Am. Chem. Soc. , 39 (1917) 1848. Ванна и весы Ленгмюра KSV 5000 LB-system Ванна и весы Ленгмюра для измерения поверхностного давления монослоя. Под действием внешней силы плавучий барьер движется вправо и сжимает монослой. Давление на поплавок Langmuir film balance with a уравновешивается грузом. Wilhelmy plate electrobalance
Пластинка Вильгельми Для измерения поверхностного давления в монослое в современных установках Ленгмюра-Блоджетт используется датчик поверхностного давления – электронные весы Вильгельми. Рассмотрим силы действующие на пластинку Вильгельми: W, l, t – ширина, длинна и толщина пластинки Вильгельми соответственно; h – глубина погружения в воду. Результирующая сила, действующая на пластинку Вильгельми, состоит из трех составляющих: Сила = вес - сила Архимеда + поверхностное натяжение. F= ρglwt- ρ’ghwt+2σ (t+w)cos Ξ , Где: ρ, ρ’ – плотность пластинки и жидкости соответсвенно, Ξ - контактный угол смачивания, g – ускорение свободного падения. Материал пластинки Вильгельми выбирается таким образом, чтобы Ξ =0.
Двухмерные фазы При увеличении давления на монослой со стороны плавучего барьера можно наблюдать последовательность различных двухмерных фаз. Площадь поверхности, приходящаяся на одну молекулу (посадочная площадка), зависит от того, в какой фазе находится монослой. Коллапс пленки наступает при давлениях, скажем, 50 миллиньютонов /м, что соответствует трехмерному давлению 10 7 н/м 2 (10 мегапаскалей , МПа), или примерно 100 атмосфер.
Collapsed Langmuir-Blodgett film Growth of the second layer of collapsed Langmuir-Blodgett film of cyclolinear polyorganosiloxane. Dark background is monolayer, bright areas are second layer. Height of the one layer is about 11 A. Image courtesy of A. M. Alexeev, NT-MDT, Moscow, Russia; A. I. Buzin, Institute of Synthetic Mode: Semicontact mode Polymer Materials Russian Scan size: 7. 2 x 7. 2 µm Academy of Sciences, Moscow, Res. frequency: 52 k. Hz Russia.
Изотерма сжатия монослоя При постоянной температуре T состояние монослоя описывается изотермой сжатия π -А, отражающей соотношение между величиной поверхностного давления барьера π и удельной молекулярной площадью А. Выделяют газообразные G, жидкие L 1, жидко-кристаллические L 2 и твердо- кристаллические S монослои. Линейные участки на зависимости π -А, отвечающие сжатию монослоя в различных фазовых состояниях, характеризуются величиной А 0 - площадью приходящейся на молекулу в монослое , полученной экстраполяцией линейного участка на ось А (π =0 м. Н/м). СПб. ГЭТУ http: //lb-lab. narod. ru/technol. html
Изотерма для пленки из молекул с двумя полярными головками Изотерма для такой пленки очень похожа на изотерму трехмерного идеального газа, закон Клайперона - Менделеева. Плато на изотерме соответствует ситуации, когда под действием поверхностного давления молекулы изгибаются дугой, принимая форму арки. При этом их посадочная площадка уменьшается при почти неизменном давлении. При дальнейшем повышении поверхностного давления одна из головок молекулы отрывается от поверхности, и образуется монослой с плотной упаковкой вертикально стоящих молекул.
Ленгмюр Irving Langmuir (January 31, 1881 in Brooklyn, New York - August 16, 1957 in Woods Hole, Massachusetts) General Electric Research Laboratory, courtesy AIP Emilio Segre Visual Archives 1932 Nobel Prize for Chemistry for his work in surface chemistry. He was the first industrial chemist to become a Nobel laureate. • Langmuir , a chemical academic journal on colloids , surfaces, and interfaces, published by the American Chemical Society. • Langmuir is a scientific unit used in (material) surface science : 1 Langmuir = 10 - 6 Torr sec = 1. 33 * 10 − 6 mbar sec.
Учеба Ленгмюра • Отец Л. , шотландец по происхождению, работал страховым агентом, а род его матери восходил к первым английским переселенцам-пуританам, которые высадились с корабля «Мейфлауэр» на землю Северной Америки в 1620 г. • В 1899 г. окончил Институт Пратта в Бруклине • Став студентом Колумбийского университета, он записался и в Горный институт, так как «знаний по физике там давали больше, чем на химическом отделении, по математике – больше, чем на физическом, а я хотел изучить все три эти дисциплины» . • В 1903 получил диплом инженера-металлурга и продолжил обучение в Гёттингенском университете у В. Нернста, изучал диссоциацию газов при соприкосновении с раскаленной платиновой проволокой. В 1906 - Ph. D
Работа Ленгмюра • Работал преподавателем химии в Стивенсоновском технологическом институте в Хобокене (штат Нью-Джерси). • Летом 1909 перешел в научно-исследовательскую лабораторию компании «Дженерал электрик» в Шенектади (штат Нью-Йорк). • Через три года доказал, что заполненная азотом лампа светит сильнее и ярче, чем вакуумированная. • В 1916 изобрел ртутный высоковакуумный насос. • В 1916 обнаружил, что вольфрамовая нить проявляет лучшие качества, если ее покрыть слоем оксида тория толщиной всего в одну молекулу. Это исследование побудило его обратиться к изучению поверхностных явлений • Увлечение альпинизмом и лыжами вызвало у Ленгмюра интерес к метеорологии и привело его к изучению вопросов создания искусственного дождя и снегопада и попыткам объяснить их механизм
ВИХРЬ ЛЕНГМЮРА • ВИХРЬ ЛЕНГМЮРА – одна из форм свободного конвективного перемешивания поверхностного слоя водоема, нередко именуемая упорядоченной конвекцией. В. Л. возникают при интенсивном охлаждении водной поверхности и ветре со скоростью от 2 до 10 м/с. Они представляют собой вихри с горизонтальной осью, расположенной вдоль направления ветра. Диаметр вихря, охватывающего поверхностный слой воды, может достигать 5— 10 м. Вода в соседних вихрях вращается в противоположном направлении и в то же время движется по ветру в дрейфовом течении Явление упорядоченной конвекции описал Ленгмюр в 1938 г. • C толетием ранее на это явление обратил внимание Ч. Дарвин (1835 г. ) во время плавания на корабле " Бигль " у берегов Огненной Земли, где, по его свидетельству, вода была покрыта узкими полосами яркокрасного цвета из-за множества ракообразных, похожих на креветок; образование полос, по мнению ученого, было связано с ветром.
Ленгмюр: «наука о явлениях, которых на самом деле нет» • В конце 1953 года в Нолсовской научно- исследовательской лаборатории (компании "Дженерал электрик") состоялся коллоквиум, на котором докладчиком Ирвинг Ленгмюр. Этот коллоквиум, по воспоминаниям его участников, надолго остался в памяти всех присутствовавших. • Темой доклада, по выражению Ленгмюра, была "наука о явлениях, которых на самом деле нет". На нескольких примерах Ленгмюр показал характерные симптомы, присущие такой науке. В своем докладе он называет ее "патологической наукой".
Пленки Ленгмюра-Блоджет Langmuir-Blodgett films • A Langmuir-Blodgett film contains one or more monolayers of an organic material, deposited from the surface of a liquid onto a solid by immersing (or emersing) the solid substrate into (or from) the liquid. • A monolayer is added with each immersion or emersion step, thus films with very accurate thickness can be formed. • The monolayers are usually composed of polar molecules with a hydrophilic head and a hydrophobic tail (example: fatty acids).
Перенос монослоя на подложку • Значение поверхностного давления, при котором проводится перенос монослоя на подложку, определяется по изотерме сжатия данного амфифильного вещества и соответствует состоянию с плотной упаковкой молекул в монослое. • В процессе переноса давление p поддерживается постоянным за счет сокращения площади монослоя движущимися барьерами. • Критерием степени покрытия подложки монослоем, является коэффициент переноса k, который определяется по формуле: k=(S’-S")/Sn, где S’, S" - площадь монослоя в момент начала переноса и после окончания переноса соответственно, Sn - площадь подложки. • Для получения однородной по толщине пленки Ленгмюра-Блоджетт , поверхность подложки должна иметь шероховатость Rz<=50 нм.
Катарина Блоджетт (Katharine Вlodgett) General Electric Research Laboratory, courtesy AIP Emilio Segre Visual Archives A master's degree at age 19, the first woman - a Ph. D. in physics from Cambridge University (1926) Born in Schenectady, NY (1898 – 1979) was the first female scientist hired at General Electric's research lab in 1917, where she assisted Irving Langmuir in his work with monomolecular coatings. Patent #US 2, 220, 860 (1938) "Film Struсture and Method of Preparation".
Катарина Блоджетт Blodgett was the daughter of George Bedington Blodgett, a lawyer who was the head of GE's patent department In 1924, Blodgett won a place as a physics doctoral student at Sir Ernest Rutherford's Cavendish Laboratory, one of the most prestigious centers of scientific learning in the world. Her doctoral dissertation was about the behavior of electrons in ionized mercury vapor. In 1926, with Ph. D. in hand, Blodgett returned to GE Photo source: The Hall of Electrical History, Schenectady Museum Association Blodgett, K. B. J. Am. Chem. Soc. , 57 (1935) 1007.
At the General Electric Research Laboratory Langmuir is seen here holding a Blodgett poses at the General Electric vacuum tube used to amplify Research Laboratory in 1928. electrical current in a photo taken PHOTO COURTESY OF THE 75 years ago. SCHENECTADY MUSEUM
Установка Ленгмюра-Блоджетт в СПб. ГЭТУ
Ленгмюровские пленки • Ленгмюр был первым, кто начал переносить пленки толщиной в одну молекулу - монослои - с поверхности воды на твердые подложки. • Впоследствии его ученица Катарина Блоджетт разработала технику многократного переноса одного монослоя за другим, так что на твердой подложке получалась стопчатая структура-этажерка, или мультислой , называемый теперь пленкой Ленгмюра-Блоджетт. • За монослоем, лежащим на поверхности воды, часто сохраняется название « ленгмюровская пленка» , хотя его используют и применительно к многослойным пленкам.
Типы структур пленки Сформированный монослой , состоящий из плотноупакованных молекул, переносится на движущуюся вниз-вверх через поверхность воды твердую подложку. В зависимости от типа поверхности подложки (гидрофильная или гидрофобная) и последовательности пересечения подложкой поверхности жидкости с монослоем и без монослоя, можно получать пленки Ленгмюра -Блоджет с симметричной (Y) или асимметричной (X, Z) структурой. Структуры X- и Z-типов полярны. Y-структура соответствует неполярной двухслойной упаковке, напоминающей устройство биологической мембраны.
Способ Шеффера (Ленгмюра- Шеффера) • Второй метод переноса сформированного на воде монослоя предложен тоже учеником Ленгмюра Шеффером (Vincent J. Shaefer ). Это метод Ленгмюра-Шеффера или горизонтальный лифт. • В этом методе подложка ориентируется практически горизонтально и приводится в легкое соприкосновение с монослоем. • Монослой на воде поддерживается в состоянии "жесткого" двумерного твердого тела (близкого к коллапсу). Подложка горизонтально касается монослоя , отрывается, а капли воды высушиваются или сдуваются струёй инертного газа. • Этот метод был впервые применен Ленгмюром и Шеффером для изготовления белковых пленок. • В настоящее время этот метод модернизирован и автоматизирован, причем, некоторые исследователи считают, что таким образом получаются более ориентированные пленки, чем в случае метода ЛБ.
Ленгмюр, Блоджетт и Шеффер Irving Langmuir, Robert Smith-Johanesen, Katherine B. Blodgett and Vincent Schaefer
Структура монослоя и пленки • Монослой , перенесенный на специальную твердую подложку, можно исследовать как оптическими методами, так и с помощью дифракции электронов. • В монослое отсутствует истинный дальний позиционный порядок, то есть по мере удаления от какой-то одной выбранной молекулы постепенно накапливается ошибка в позиции других молекул.
Построение мультислоя из монослоев • Монослой , перенесенный на подложку, наследует тот ориентационный порядок, который был ему навязан поверхностью воды (растворителя). • При построении мультислоя из монослоев такое наследство частично может быть утрачено - часто происходит перекристаллизация мультислоя в новую трехмерную кристаллическую структуру. • Можно помешать подобному превращению, если сщивать (полимеризовать) каждый перенесенный монослой. • Мультислой обладает следующими полезными качествами: - молекулярная ориентация в слое строго фиксирована; - имеется резко выраженная зависимость от направления - структурная анизотропия - вдоль и поперек плоскостей монослоев
Сшивка слоев Выбираются специальные молекулы с непрочными двойными химическими связями, которые рвутся, например, при действии ультрафиолетового света. Из разорванных внутримолекулярных связей формируются новые, теперь уже межмолекулярные, и в результате возникает прочная полимерная сетка, стабилизирующая слоевую структуру. На рис. : При полимеризации производных диацетилена ультрафиолетовым светом внутримолекулярные тройные связи разрываются и затем находят себе новых партнеров из соседней молекулы. Происходит химическая сшивка соседей, и образуется прочная полимерная сетка.
Мультислой или конструктор Ленгмюра-Блоджет • ЛБ метод позволяет конструировать сложные слоистые системы, состоящие из чередующихся по заданной программе моно слоев двух и более специально подобранных веществ. • Такие гетероструктуры, или ленгмюровские сверхрешетки, по- видимому, являются первым шагом к реализации идей молекулярной архитектуры, конструированию молекулярных устройств (конструктор Ленгмюра-Блоджет). • Для успешного построения слоистого молекулярного устройства необходимо знание взаимного расположения его функциональных элементов, т. е. нужен контроль структурных параметров на всех этапах её формирования.
Монослой как переносчик информации • Монослой амфифильного красителя при облучении электронами меняет свои оптические свойства за счет образования молекулярных пар - димеров. • При переносе второго монослоя по методу Ленгмюра - Блоджетт новый слой формируется так, что напротив молекул-одиночек оказываются одиночки, а напротив пар - тоже пары. • Отделив второй монослой от первого с помощью приложенной сверху полимерной пленки, получают точную копию информации , записанной электронным лучом. • Такой процесс аналогичен репликации информации с молекул ДНК - хранителей генетического кода - на молекулы РНК, переносящие информацию к месту синтеза белков в клетках живых организмов. http: //www. pereplet. ru/news/index
Пленки Ленгмюра для «искусственного носа» Ленгмюровская пленка играет роль избирательного фильтра, пропуская к поверхности транзистора только определяемые молекулы. «Искусственный нос» позволяет детектировать только те газы, молекулы которых избирательно пропускаются ленгмюровской пленкой к чувствительной поверхности полупроводникового транзистора. Изменяя структуру пленки, можно детектировать разные химические вещества. http: //www. pereplet. ru/news/index
Литература • В. К. Сривастава. Ленгмюровские молекулярные пленки и их применение. – М. : -Мир. -1977. (Физика тонких пленок. Т. 7) • Блинов Л. М. Физические свойства и применение Ленгмюровских моно- и мультимолекулярных структур //Успехи химии. -1983. - т. 52. – Вып. 8. – С. 1263 -1300.
Скачать презентацию Глава 7 Нанодисперсии, прямые и обратные мицеллы, микроэмульсии,
Глава 9. Наноструктуры в жидкостях.ppt