4.9 Самоорганизованные монослои и пленки, перенесенные на твердую подложку с поверхности вода-воздух (пленки Ленгмюра –Блоджетт).

Метод переноса пленок с поверхности воды на твердые пластины разработаны Ленгмюром и Блоджетт в 1935 году.

В связи с этим методом, который в настоящее время получил важнейшие технологические применения, интересно сделать небольшой исторический экскурс.

Впервые толщину монослоя оливкового масла на поверхности воды измерил Б. Франклин в 1774г. Она оказалась равной .

В 90-х г.г. прошлого века Поккельс обнаружила возможность регулирования площади пленки с помощью подвижного барьера. Она установила, что поверхностное натяжение пленки изменяется лишь до тех пор, пока площадь, занимаемая молекулой, не уменьшится до на молекулу.

В 1917 г. последовали классические работы Ленгмюра по исследованию мономолекулярных пленок и созданию пленочных весов.

В 1935 г. Блоджетт предложила простой, изящный, ювелирно тонкий метод перенесения мономолекулярных пленок на твердые подложки.

В Англии эти работы были продолжены с участием М. Тетчер¹.

Суть метода состоит в том, что вначале на поверхности воды образуется мономолекулярная пленка дифильного вещества с определенной ориентацией гидрофильных и гидрофобных групп (частокол Ленгмюра). Затем этот монослой переносится на твердую пластину путем ее медленного перемещения через поверхность жидкости. Перенос может, осуществляется двояко: опусканием пластины в воду или поднятием пластины из воды. В зависимости от гидрофильности пластины и способа переноса получается определенная ориентация молекул ПАВ в монослое. Так, если стеклянную пластинку поднимать из воды через монослой стеарата бария, образуется пленка, гидрофобная сторона которой обращена наружу (рис.4.11)

Рис. 4.11. Перенос монослоя стеарата бария на стеклянную пластинку по методу Блоджетт.

Если затем перемещать эту пленку,с нанесенным монослоем, в обратном направлении, т.е. опускать в воду, то на пластине осаждается второй слой стеарата бария "спиной к спине" с обратной ориентацией молекул, т.е. наружная поверхность пленки будет гидрофильной. Этот способ переноса называется вертикальным.

Таким способом можно нанести сотни монослоев. Характер заключительной стадии определяет конечные свойства пленки, ее гидрофильность или гидрофобность.

При опускании гидрофобной пластинки в воду также образуется монослой, соответствующей ориентации (рис.4.12).

Рис. 4.12

Необходимо лишь строго синхронизировать скорость перемещения подвижного барьера и поднятия (опускания) пластины для сохранения сплошности мономолекулярной пленки.

При поднятии пластинки с монослоем из воды образуется второй слой. Пленки, состоящие из таких мультислоев, определенным образом классифицируются.

и пленки состоят из несимметричных монослоев. - пленка образуется на гидрофобной подложке путем ее опускания ванну. В такой пленке гидрофобные части молекул обращены к подложке (рис. 4.13 ). - пленка образуется на гидрофильной подложке путем ее поднятия из ванны. К подложке, соответственно, обращены полярные группы молекул (рис. 4.13в). - пленка состоит из симметричных монослоев (рис. 4.13б) и формируется путем последовательного движения подложки вверх-вниз.

Рис. 12

Рис. 4.13. Пленки Ленгмюра - Блоджетт различной ориентации.

Пленки типа и не всегда получаются. При попытке получить - пленку с жирными кислотами получаются - слои, т. к. молекулы опрокидываются.

Получение пленок на твердой подложке путем последовательного переноса монослоя с поверхности жидкости можно отнести к молекулярному творчеству. Этим методом можно конструировать слои на молекулярном уровне, с точным контролем толщины пленки и двумерного упорядочного расположения молекул. По словам известного физико-химика Доннана "ориентацию молекул и ионов на поверхности раздела мы можем воспринимать как первые признаки организованной структуры жизни".

Схема установки для перенесения монослоев на твердую подложку Ленгмюра- Блоджетт изображена на рис.4.14

Рис. 4.14. Схема установки для получения пленок Ленгмюра-Блоджетта

1- ванна; 2 – станина на амортизаторе; 3 – прозрачный колпак; 4- механизм подъема и опускания подложки (9); 5 – весы Вильгельми

На качество пленки влияет чистота воды и установки, раствора, температура, подготовка подложки, скорость нанесения монослоя, отсутствие механических вибраций. Обычно подложка поднимается или опускается со скоростью несколько миллиметров в минуту.

Аналогично мультимолекулярным пленкам построены липидные мембраны. На этом сходстве основан термин "биоподражательная электроника".

Эти пленки находят широкое применение в новейших отраслях техники. Они применяются для создания оптоэлектронных устройств в физике, химических сенсоров и биосенсоров.

На смену микроэлектронике, благодаря таким пленкам, идет молекулярная электроника. Объемные устройства в электронике заменяются поверхностными. Элемент в электронных устройствах имеет размер . Это означает, что на печатной плате размером с человеческий ноготь размещается элементов, из них транзисторов, т. е. достигается очень высокая плотность монтажа.

В настоящее время контролируемые изменения монослоев с целью получения мультимолекулярных пленок на устройствах, снабженных компьютерами, стали предметом технологий в ряде стран. Это послужило основой для создания компьютеров нового поколения, в миллион раз более эффективных и в триллион раз более производительных чем существующие.

Такая технология называется субмикронной или нанотехнологией (от греческого нано-карликовая). Уже в настоящее время это привело к микроминиатюризации вычислительной и видеотехники.

На пленках Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ) могут быть иммобилизованы энзимы, что открывает возможности применения пленок ЛБ в качестве биосенсоров. Липидный монослой имеет поверхностный заряд на гидрофильной группе. Заряд энзима (белка) контролируется изменением раствора. При соответствующих условиях белок адсорбируется на липидном слое с образованием монослоев, иммобилизировавших белок. Такие пленки применяются в качестве биосенсоров.