ГЛАВА 2
МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ НАДМОЛЕКУЛЯРНЫХ АНСАМБЛЕЙ
2.1. Пленки Ленгмюра-Блоджетт
Метод Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ)- один из немногих методов, доступных для управления архитектурой ансамблей органических молекул [10]. Этот метод может рассматриваться как органический аналог молекулярной лучевой эпитаксии, которая является чрезвычайно важным средством приготовления устройств твердотельной электроники как средства изготовления точных микро-структур. Методика ЛБ предлагает средства для конструирования подобных органических аналогов, создавая органические слои (один мономолекулярный слой за раз), и позволяет получать точные конфигурации (например, ориентацию молекулы и толщину пленки). Методика включает нанесение молекул некоего подходящего органического вещества на поверхность воды в виде монослоя молекул, сжатие этой пленки, для формирования конденсированного моно-молекулярного слоя, и затем перенос этого слоя на подходящую подложку.
Огромное количество различных молекулярных структур подходит для методики Лэнгмюра-Блоджетт. Однако типичные формирующие монослой мо-лекулы обладают одновременно как гидрофобными, так и гидрофильными концевыми группами, такими как длинные алкильные и карбоксильные группы, соответственно. Некоторые полимеры также способны формировать монослои, как и некоторые ароматические макроциклы, такие как порфирины и фталоцианины. Фталоцианины не обладают высоко олеофильными или гидрофильными частями, но представляют собой молекулярный диск сфор-мированный из нескольких ароматических фрагментов.
В 1917 Ленгмюр предложил новый тип чувствительных весов для изучения мономолекулярных слоев на поверхности раздела вода/воздух и измерения поверхностного давления в монослое [16]. Некоторые предыдущие исследо-вания уже показали, что жирные кислоты с различной длиной цепей на поверхности раздела воздух/вода формируют нерастворимые мономоле-кулярные слои, и что они занимают всегда одну и ту же площадь на поверхности воды (площадь поперечного сечения молекулы), то есть, они ориентируются почти перпендикулярно к водной поверхности [10]. Метод переноса этих мономолекулярных слоев на твердые подложки, с целью создания поли-молекулярных слоев, был разработан и предложен в дальнейшем Лэнгмюром совместно с Катариной Блоджетт (1935) [17]. С тех пор этот метод называется методом Ленгмюра-Блоджетт. В 30-ые годы пленки ЛБ нашли лишь немногие практические применения, включая калибры толщины и дифракционные решетки для мягкого рентгеновского излучения. Спустя 40 лет после изобретения, произошел своего рода ренессанс пленок Ленгмюра-Блоджетт, который был связан с работами Куна с сотрудниками в Германии [6]. В этих публикациях изучалась безизлучательная передача энергии между моле-кулярными ансамблями, состоящими чередования инертных слоев и активных слоев содержащих молекулы красителя. В публикациях Куна и сотрудников были заложены основы новой области молекулярной электроники и фотоники. Это привлекло многие группы во всем мире к интенсивному исследованию пленок ЛБ и вызвало "взрыв" публикации по этой тематике в конце 80-ых и в начале 90-ых годов прошлого столетия.
Соли жирных кислот являются "классическими" объектами для метода ЛБ. Будучи помещенными на поверхность раздела воды/воздух, эти молекулы самостоятельно организуются таким способом, что их гидрофильные части (карбоксильные группы, которые могут рассматриваться как электрические диполи) проникает в воду, благодаря их электростатическому взаимодействию с молекулами воды. Гидрофобные же группы (алифатическая цепочка) распола-гаются в воздухе, потому что не могут проникнуть в воду по энтропийным причинам. Поэтому, когда несколько амфифильных молекулы такого типа помещаются на водную поверхность, они формируют двумерную систему на поверхности раздела вода/воздух. Поверхностное натяжение воды с мономолекулярным слоем уменьшается по сравнению с поверхностным натяжением чистой воды, и их разность известна как поверхностное давление. На Рис. 2.1, к примеру, представлена изотерма сжатия мономолекулярного слоя стеариновой кислоты. Эта характеристическая кривая показывает зависимость поверхностного давления на площадь одной молекулы (или мономерную единицу полимера), полученную при постоянной температуре, и известную как ?-A изотерма. Основные характерные особенности этой изотермы будут типичны для многих органических и полимерных веществ с единственной разницей в масштабе по осям X и Y.
Рис. 2.1. Изотерма поверхностное давление - площадь на молекулу для стеари-новой кислоты как типичного амфифильного органического материала.
Рис. 2.2. Простейшая конструкция ЛБ ванны.
Конструкция самого простого оборудования для переноса - ЛБ ванны, показана на Рис. 2.2. Органические молекулы могут быть нанесены на поверхность водной субфазы из их раствора в органическом растворителе (обычно хлороформ), а площадь, занятая молекулами на поверхности раздела вода/воздух может регулироваться одними или двумя подвижными барьерами, как показано на Рис. 2.2. Одновременно поверхностное давление может быть измерено одним из двух методов [10, 18]: весы Вильгельми или весы Лэнгмюра. В методе Вильгельми, поверхностное натяжение измеряется при непосред-ственном, взвешивании гидрофильной пластинки, которую опускают через мономолекулярный слой на водной поверхности ванны Ленгмюра. В методе Лэнгмюра, разность поверхностного давления измеряется между поверхностью чистая вода/ воздух и поверхностью воды, покрытой мономолекулярной пленкой. Для осуществления вертикального передвижения твердой подложки (Si, стекло и т.д.) используется специальная приводная система с точно регулируемой скоростью вертикального движения, от нескольких мкм до нескольких мм в минуту. Весь цикл операции регистрации ?-A изотермы и переноса мономолекулярных слоев с поверхности раздела вода/воздух на поверхность твердой подложки может быть полностью компьютеризирован. Использование сложного многолоткового оборудования и органических моле-кул нескольких типов
- Київ+380960830922