Пленки ленгмюра блоджетт биологически активных соединений. Технология нанесения пленок ленгмюра-блоджетт. Метод поверхностного натяжения

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

о с) На правах рукописи

ЯКОВЕНКО СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

МОНОСЛОИ И ПЛЕНКИ ЛЕНГМЮРА-БЛОДЖЕТТ СТЕАРИНОВОЙ КИСЛОТЫ, СОДЕРЖАЩИЕ КЛАСТЕРЫ

Москва 1995

Работа выполнена на кафедро биофизики физического факультета Московского Государственного университета мм. М.В.Ломоносова

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, доцент В.А. Карагаев

кандидат физико-математических наук Л.В. Беловолоаа

Ведущая организация:

Институт радиотехники и электроники РАН

на заседании специализированного совета N 3 ОФТТ (К.053.05.77) в МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: 113899. ГСГ1_ г. Москва, Воробьевы горы, МГУ, физический факультет, ауд. С - у

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. (Д.В.Ломоносова.

Ученый секретарь диссертационного совета N 3 ОФТТ (К.053.05.77) кандидат физико-математических наук

Г.Б. Хомутов

Актуальность темы. Значительная часть биофизических и биохимических исследований, проводимых а настоящее время, посврщена выяснению фундаментальных принципов структурообразования и функционирования биомембран. Дальнейший прогресс в этой области в значительной степени определяется успехами в выяснении природы и механизмов взаимодействий на границе раздела фаз биомембрана -водная фаза. Большой фундаментальный интерес для биофизики представляет выяснение механизмов биоминерализации и роли органической поверхности мембранных структур в инициировании ориентированной кристаллизации неорганических структур в биологических системах. В последнее время возникло новое направление в этой области, связанное с исследованием образования кристаллов и кластеров из компонентов водной фазы на границе раздела фаз ленгмюровский монослой - водная фаза = Ь«104 М наблюдается значительное связывание Си2* с монослоем при повышении поверхностного давления до 20 мН/м («100 Си2*/51). При коллапсе и разрушении монослоя концентрация ионов меди(И) в растворе под монослоем имеет изначальную величину, аналогичную концентрации до нанесения монослоя. Разрушение монослоя путем механического перемешивания также приводит к восстановлению исходных величин амплитуды сигнала ЭПР ионов меди(Н). Было также обнаружено уменьшение концентрации ионов СГ в водной фазе под монослоем, качественно соответствующее уменьшению концентрации

ионоа меди(Н). Из полученных экспериментальных денных можно предположить, что с монослоем стеариновой кислоты связываются многоядерные комплексы меди, по-видимому, содержащие в качестве лигандов СГ, НгО, ОН".

В § 3.2 описано, как связывание ионов меди отражается на изотермах сжатия ленплюровских монослоев на поверхности водной субфазы, содержащей ионы меди. Разработанная оригинальная методика получения изотерм сжатия монослоев ПАВ на поверхности водной субфазы с изменяющимся ионным составом позволила впервые провести исследование взаимодействия ионов меди(Н) с ленгмюровским монослоем в зависимости от поверхностного давления монослоя.

Добавление раствора СиС12 в водную фазу под сформированный на поверхности монослой производили при величинах поверхностного давления, равных 0 мН/м, 15 мН/м, 20 мН/м, 30 мН/м, 40 мН/м и 45 мН/м. При значении рН субфазы, равном 4,6, при вышеперечисленных значениях поверхностного давления форма изотермы сжатия монослоя после добавления ионов ыеди(Н) и перемешивания изменялась по сравнению с Р-А-изотермой монослоя "чистой" стеариновой кислоты. Она приобретала вид, характерный для монослоя на поверхности раствора СиС1г при данной величине рН (4,8). Таким образом, в этом диапазоне величин рН (рН < 5) взаимодействие монослоя стеариновой кислоты с Ионами меди, обусловливающее характерную форму Р-А-изотермы монослоя, не зависит от степени поджатия монослоя. При рН = 5,6 добавки раствора СиСЬ в водную фазу и перемешивание производились при следующих величинах поверхностного давления Р: 0 мН/м (газовая фаза, площадь монослоя А соответствует 38 к2 на одну молекулу стеариновой кислоты монослоя), 15 мН/м„30 мШм, 40 мН/м. После добавления раствора СиС12 в субфазу в тот момент, когда монослой находится в состоянии "двумерного газа", форма Р-А-изотермы практически совпадает с формой изотермы монослоя на поверхности водной субфазы, изначально содержащей ионы меди(И) до нанесения монослоя. Добавление раствора СиСЬ в субфазу в "жидкой"

фазе ыонослоя вызывает заметное изменение дальнейшего хода Р-А-изотермы по сравнению с изотермой монослоя на водной субфчзе с изначальным содержанием Си2*: величина Р оказывается больше при одной и той же площади монослоя в ходе его последующего сжатия (см. рис.1). Введение ионов меди(П) о субфазу при более высоких значениях Р вызывает еще более выраженные изменения формы Р-А-диаграмм при дальнейшем сжатии монослоя. Полученные результаты свидетельствуют о том, что процессы взаимодействия ионов моди с монослоем стеариновой кислоты при рН = 5,6 зависят "от степени сжатия монослоя, т.е. от взаимного расположения и подвижности молекул стеариновой кислоты, образующих монослой.

Рис.1. Изотермы сжатия монослоя стеариновой кислоты на поверхности водной субфазы с изменяющимся ионным составом. 1 - добавление СиС12 (10м М) в водную фазу до нанесения монослоя на поверхность НгО. 2 - добавление раствора СиС12 (10м М) в водную фазу при 30 мН/м.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приведены результаты исследования медьсодержащих ленгмюровских пленок на твердых подложках.

§ 4.1 посвящен изучению спектров ЭПР ленгмюровских мультислоов стеарата меди на полированном монокристаллическом кремнии.

В случае Y-типа нанесения пленок при концентрации ионов меди(И) в растворе, равной 10~2 М, рН=4,5, спектр ЭПР образца (см. рис. 2) имеет слабую анизотропию (g | = 2,00, = 2,06) и сравнительно малую ширину сигнала ЭПР (70 Гс), которая свидетельствует о наличии обменного взаимодействия между атомами меди. Малая анизотропия сигнала ЭПР для второго случая может указывать на высокую степень ковалентности связей меди в образуемом комплексе.

На рис. 3 представлен спектр ЭПР медьсодержащей ленгмюровской пленки Х-типа нанесения при концентрации ионов меди(Н) в растворе 5 10"* М, рН = 4,5, имеющий сильную анизотропию (gj = 2,81, gi = 2,58), ширина сигнала 140 Гс. При понижении температуры до -150° С наблюдается необратимое изменение спектра ЭПР, состоящее в том, что он приобретает изотропный характер. Наблюдающийся при этой температуре сигнал имеет g = 2,25 при ширине линии 290 Гс и не изменяется при обратном повышении температуры. Получена температурная зависимость интенсивности сигнала ЭПР ионов меди для X-типа нанесения пленки. Ее характер может быть обусловлен сильным антиферромагнитным взаимодействием между ионами меди а ленгмюровских мупьтиспоях.

Результаты исследований медьсодержащих ЛБ пленок стеариновой кислоты методом ЭПР-спектроскопии указывают на то, что медь, адсорбированная и перенесенная вместе с монослоем на твердотельную годпожку. может оказываться в различном лигандном и структурном окружении в зависимости от условий формирования ЛБ пленок (ионного состава и рН субфазы, скорости переноса пленки на подложку, поверхностного давления при переносе, типа переноса). Наблюдаются изотропные сигналы ЭПР от "аморфной" фазы, а также спектры ЭПР, по

Рис. 2. ЭПР-ситал 600 слоев ленгмюровской пленки на основе стеарата меди. У-тип нанесения при [СиС12»2Н20] = 10~г М, рН=4.5.1- Н 2 - Н х.

Рис. 3. ЭПР-сигнал 600 слоев ленгмюровской пленки на основе стеар^.. меди. Х-тип нанесения при [СиС12«2Н20) = 5*10 4 М, рН=4.5. 1- Н | 2 - Н х.

параметрам срответствующие спектру ЭПР поликристалла СиС12»2Н20. Это указывает на то, что ионы Си2+ в пленке могут находиться в аналогичном лигандном поле, а также на то, что ионы СГ входят в состав медных комплексов, связывающихся с монослоем стеариновой кислоты. Наблюдение сигнала ЭПР с параметрами, близкими к характерному сигналу ЭПР меди в водном растворе акватированного иона Си2* - можно

Объяснить тем, что при перенесении пленки с поверхности водной субфазы

на твердую подпояску вместе с пленкой чисто механически переносится некоторое количество водного раствора в виде микрокапелек. Этот процесс широко обсуждается в литературе, и до сих пэр об этом нет единого мнения. Результаты, полученные в данной работе, указывают на возможность другого механизма переноса на подложку акватированных ионов Си2* вместе с монослоем стеариновой кислоты - в виде комплексов меди, которые образовались при связывании ионов меди(Н) с монослоем стеариновой кислоты. Таким образом, лигандное окружение ионов меди в водной фазе может сохраняться при образовании структур, в которых комплексы меди связаны с монослоем. Это же лигандное окружение сохраняется и после перенесения монослоя с поверхности водной субфазы на твердотельную подложку. Метод ЭПР оказался чувствительным к составу и строению пленок Ленгмюра-Блоджетт, что позволяет использовать его для оптимизации условий получения металлосодержащих мультислоев.

Необратимое изменение ЭПР спектра мультислоев стеарата меди после цикла охлаждения (до 77К) и нагрева (до ЗООК), возможно, связано с тем, что в состав комплексов меди, локализованных в полярной области ЛБ пленки, входят молекулы воды.

В § 4.2 описываются результаты исследования методом СТМ монослоев стеарата меди, перенесенных на графитовую подложку с поверхности водной субфазы, содержащей различные концентрации меди О М, 1СГ5 М, 10"4 М (см. рис. 4).

Обнаружены существенные различия в микротопографии и распределении электронной плотности поверхности ленгмюровских ионослоев, полученных на основе стеариновой кислоты в отсутствие меди * водной субфазе и при содержании в ней различных концентраций меди. Картина, лолучаемая методом СТМ для монослоя чистой стеариновой кислоты (в отсутствие меди в водной субфазе), представляет собой ровное плато с отклонениями по вертикали* 3 А. На поверхности монослоя, полученного при содержании в водной субфазе 10 ° М меди (рН~5.4). ыидно

появление кластеров. На поверхности мокослоя, полученного перенесением с водной субфазы, содержащей Ю-4 М моди (рН=6,4), количество таких кластеров заметно увеличивается.

Рис. 4. СТМ-изображение монослоя стеарата меди, нанесенного методом Шеффера на поверхность скола графита. Концентрация ионов меди в водной фазе 10"5 М,рН=5,4;

В § 4.3 представлены результаты исследований структуры мультислоев стеарата меди методом малоуглового рентгеновского рассеяния. Получены рентгенограммы ленгмюровских пленок стеарата меди Х-типа и У-типа нанесения при прочих одинаковых условиях переноса (рН и ионный состав водной субфазы, скорость переноса, поверхностное давление, материал подложки). Для обоих типов нанесения определены период <1 сверхрешетки и расстояние ближнего порядка I. (расстояние, на котором отклонения периода повторения структуры от среднего значения, складываясь, дают половину периода), вычисляемое из полуширины рефлекса рентгенограммы. Периоды ¡1 структуры ленгмюровских пленок Х-

Рис. Б. Рентгенограммы ленгмюроэских пленок стеарата меди Х-типа (а) и У-типа (б) нанесения при прочих одинакоьых условиях переноса. Один канал = 0,02 градуса.

типа и У-типа нанесения были одинаковыми и имели величину 50,0+0,1 к. Это свидетельствует о том, что независимо от типа переноса при прочих одинаковых условиях полученные Л Б пленки имеют одинаковую структуру типа "хвост к хвосту, голова к голове". Расстояние ближнего порядка (или зоны упорядоченности) L для ЛБ пленок стеарата меди, полученных переносом Х- и У-типа, было различным и составляло, соответственно, 3,5 бислоя (около 175 Á) и 4 бислоя (около 200 к). Это различие можно объяснить тем, что в случае переноса Х-типа после переворота молекул стеариновой кислоты при погружении подложки изменяется структура комплекссз меди, связанных с монослоем. Это согласуется с данными, полученными ЭПР-спектроскопией. Сравнительно небольшая зона упорядоченности (около 3,5 - 4 бислоя), возможно, связана с присутствием в пленке кластеров меди и доменной структурой пленки. Соответствие полученных нами и описанных в литературе рентгенограмм

ленгмюроаеких пленок указывает также на то, что сконструированная нами установка позволяет получать мультислойные пленки, структура которых аналогична известным в литературе .

В § 4.4 результаты, полученные разными методами, обсуждаются с точки зрения струкгурообразования на граница раздела фаз монослой стеариновой кислоты - водная фаза. Обнаруженные на поверхности монослоя стеариновой кислоты кластеры могут отражать начало процесса струкгурообразования с участием ионов меди(Н) водной субфазы на поверхности монослоя - образование центров нуклеации. Из рис. 6 и 7 видно, что при увеличении концентрации ионов меди(И) а водной субфазе от 1СГ5 до 10"ц М количество таких кластеров на единице площади поверхности увеличивается. При дальнейшем увеличении концентрации ионов меди(И) в водной фазе и величины pH, такие кластеры, возможно, могут образовывать сплошную структуру на всей поверхности монослоя и кардинально менять форму Р-А-диаграмм. В литературе также отмечается особая роль структурно-упорядоченной заряженной поверхности ленгмюровского монослоя в процессах кристаллизации на монослое. В настоящее время факторы, определяющие эти процессы кристаллообразования, до конца не ясны. Полученные данные указывают на то, что при определенных условиях высокоупорядоченная заряженная поверхность ленгмюровского монослоя (и, возможно, поверхности органических и биологических молекулярных структур) является фактором, обусловливающим упорядоченное распределение в пространстве водной фазы вблизи поверхности монослоя комплексов противоионоа и полярных молекул, что в свою очередь приводит к образованию новых поверхностных структур на монослое.

ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена получению и исследованию физико-химических свойств смешанных ленгмюровских пленок, содержащих карборановые кластеры и стеариновую кислоту.

В § 5.1 приведены изотермы сжатиг смешанных ленгмюровских монослоев, содержащих карборановые кластеры 1.7-(СНзЬ-1.2-

СгВюНаТЦОСОСРзЬ и стеариновую кислоту на поверхности деионизованной воды (рН = 5,6). Размер карборанового кластера « 10 к. Соотношенио к=[ЗОДкластеры] молекул стеариновой кислоты и карборановых кластеров в монослое имело значения 1:1,2:1, 4:1, 8:1,12:1,20:1, 32:1.

Обнаружено, что карборановые кластеры без добавления к ним молекул стеариновой кислоты не образуют стабильных ленгмюровских монослоев на поверхности воды: поверхностное Давление не поднимается выше 3 мН/м при поджатой карборанового "монослоя". При добавлении же к карборановым кластерам молекул стеариновой кислоты (9,5<к<12) получаются стабильные амфифильные монослои с ярковыражонными кооперативными свойствами: значение поверхностного давления Р™* в коллапсе 70 мН/м, в то время как Р™* для стеариновой кислоты и карборановых кластеров по отдельности равно 55 и 3 мН/м, соответственно. При соотношении 1:1 изотерма сжатия смешанного монослоя стеариновая кислота + карбсрановые кластеры существенно отличается от изотермы сжатия монослоя стеариновой кислоты без карборановых кластеров. Изотерма монослоя, содержащего кластеры (К-1 >, значительно сдвинута вправо на »20 А2/молекулу относительно изотермы монослоя, не содержащего кластеры, отсутствует падение поверхностного давления после коллапса, нет четких фазовых переходов, высоко значение максимального поверхностного давления (70 мН/м). Дальнейшее повышение содержания стеариновой кислоты в монослое вплоть до 12 молекул стеариновой кислоты на один карборановый кластер качественно не меняет форму изотерм сжатия. При соотношении же 12:1 форма изотермы сжатия кардинально изменяется и становится подобной Р-А-изотерме монослоя стеариновой кислоты, не содержащего карборановые кластеры. Единственное отличие, которое остается, - это небольшой сдвиг (несколько А2 /молекулу) в сторону больших значений площади, приходящейся на одну молекулу. Дальнейшее повышение содержания стеариновой кислоты в монослое с кластерами не влияет на форму изотерм сжатия, а лишь уменьшает их сдвиг. Анализируя размеры

молекулы стеариновой кислоты и карборанового кластера, мы пришли к выводу, что форма изотерм сжатия смешанных монослоев стеариновая кислота + карборанозыв кластеры определяется взаимодействием молекул стеариновой кислоты и подобна форме изотермы сжатия монослоя стеариновой кислоты, не содержащего кластеры, в том случав, когда число молекул (>18) стеариновой кислоты достаточно для того, чтобы каждый кластер был полностью окружен молекулами стеариновой кислоты.

В § 5.2 и § 5.3 описываются результаты исследования смешанных ленгмюровских пленок стеариновой кислоты и карборановых кластеров методом СТМ. На полученном СТМ-изображении (см. рис. 6) выявляется периодическая двумерная структура расположения максимумов электронной плотности, представляющая собой моноклинную решвтту с параметрами а=28.0±4.0 А, Ь=20.0±4.0 А, а=70°, что по порядку величины соответствует размерам карборановых кластеров. В связи с этим предположено, что выявленная периодическая структура в СТМ-изображениях образована карборановыми кластерами.

Полученные изображения не носили случайный характер и воспроизводились при повторном сканировании одного и того же участка поверхности образца. СТМ-изображения разных участков поверхности образца содержали подобные двумерные структуры, описанные выше. Таким образом, карборановые кластеры надежно фиксируются для целей СТМ исследований при встраивании в матрицу ленгмюровского монослоя из стеариновой кислоты.

С помощью СТМ исследовано туннелирование электронов через одиночные карборановые кластерные молекулы, встроенные в ленгмюровский монослой стеариновой кислоты при температурах 77 К и 300 К. После получения изображения поверхности образца с помощью СТМ в режиме заданного тока (ток 500 нА при напряжении 500 мВ) и выбора участка с одиночным кластером в нескольких точках в окрестности кластера снималась серия ВАХ.

Рис. 6. Рис. 4. СТМ-изображение смешанного ленгмюровского монослоя стеариновой кислоты и карборановых кластеров (16:1), нанесенного методом Шеффера на поверхность скола графита.

ВАХ, снятые в различных точках плоского участка поверхности стеариновой кислоть (далеко от кластера), не имеют существенных особенностей. ВАХ, снятые в области кластера, существенно отличаются от ВАХ на плоском участке. На большинстве таких ВАХ наблюдается отчетливый блокадный участок в окрестностях начала координат, на котором проводимость сильно (до 10 раз и более) подавлена. Кроме этого, на большинстве ВАХ кластеров присутствуют четко выраженные особенности - изломы ВАХ. Описанные выше особенности ВАХ кластеров позволяют на(м предположить, что реализован режим одноэлектронного коррелированного туннелирования в системе "игла СТМ - карборановый кластер - графитовая подложка".

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Детально исследовано взаимодействие ионов меди с монослоем стеариновой кислоты в зависимости от степени сжатия монослоя и изменения состава водной фазы. Обнаружены " и исследованы существенные изменения формы изотермы сжатия монослоя стеариновой кислоты при варьировании рН и концентрации ионов меди в водной фазе, указывающие на значительные изменения межмолекулярных взаимодействий в монослое в результате связывания меди. Наибольшее связывание наблюдалось при значении поверхностного давления в монослов Р=20 мН/м.

2. Исследован характер рН-зависимости амплитуды спектра ЭПР ионов меди в растворе СиСЬ различных концентраций. Для концентрации меди в растворе 10~3 М по мере повышения величины рН раствора начиная с рН=6 (а для меньших концентраций меди с более высоких величин рН) наблюдается уменьшение амплитуды характерного сигнала ЭПР акватированных ионов меди, что может быть обусловлено сильным уширенйем сигнала ЭПР вследствие образования нерастворимой гидроокиси меди Си(ОН)г-

3. Методом СТМ на поверхности монослоя стеарата меди, перенесенного на поверхность графита, обнаружены медьсодержащие кластеры. Условия образования и параметры медьсодержащих кластеров на поверхности Монослоя стеариновой кислоты определялись такими характеристиками монослоя, как поверхностное давление и поверхностный заряд.

4. Получены медьсодержащие мультислойные пленки Ленгмюра-Блоджетт на основе стеариновой кислоты и определен период их структуры, равный 50,0±0,1 А. Для Х-типа нанесения период структуры аналогичен периоду структуры, получаемой в случае У-типа нанесения. Зона упорядоченности для Х-типа нанесения существеь.га больше, чем для У-типа.

5. Методом ЭПР-споктроскопии исследованы мультислойныэ медьсодержащие пленки, получаемые при различных условиях переноса на подложку. Выявлено сильное обменное взаимодействие между ионами меди в полученных пленках.

6. Получены изотермы сжатия смешанных монослоев стеариновая кислота - карборановые кластеры при различных соотношениях этих компонентов в монослое. Показано, что форма изотермы сжатия смешанных монослоев аналогична форме изотермы чистой стеариновой кислоты в том случае, когда количество молекул стеариновой кислоты достаточно для полного окружения каждого карборанового кластера в монослое.

7. Получены и исследованы ленгмюровские моноспои на основе стеариновой кислоты со встроенными карборановыми кластерами. Обнаружено, что в матрице такого монослоя на поверхности фа фита карборановые кластеры надежно фиксируются/ для целей СТМ исследований.

1. Хомутов Г.Б., Яковенко С.А., Кислов В.В., Потапов А.Ю., Неверное И.Э. // ЭПР-спектроскопия биоэлектронных систем на основе медьсодержащих пленарных молекулярных структур. II Сб. трудов VIH Всес. конф. "Магнитный резонанс в биологии и медицине", 1990 г., Звенигород, с. 61.

2. Яковенко С.А., Кислов В.В., Ерохин В.В., Потапов А.Ю., Хомутов Г.Б.// ЭПР-спектроскопия пленок Ленгмюра-Блоджетт на основе стеарата меди. // Журнал физ. химии, 1992, т. 66, N 4, с. 1028-1033.

3. Tverdislov V.A., Yakovenko S.A., Khomutov G.B. // Study on the copper ions interactions with stearate monolayer and characteristics of corresponding cation containing LB films. // Proc. Sixth Int. Conf. on Organized Molecular Films (LB6), 1993, Trois-Rivieres, Canada, p. 260.

4. Хомутов Г.6., Яковенко Г.Б., Солдатов Е.С., Ханин В.В., Юрова Т.В., Твердислов В.А. // Взаимодействие ионов меди с Ленгмюровским монослоем и образование медьсодержащих кластеров в монослоях и пленках Ленгмюра-Блоджетт. II Тезисы докладов I Российской конференции по кластерной химии, 1994, Санкт-Петербург, 27 июня - 1 июля.

5. Солдатоа Е.С., Губин С.П., Ханин В.В., Хомутов Г.Б., Яковенко С.А.. // Однозлектронное туннелирование в ленгмюровских пленках с металлорганическими кластерами. // Материалы Российской конференции с участием зарубежных ученых "Микроэлектроника-94", 1994, Звенигород, 28 ноября - 3 декабря, с. 123-124.

6. Хомутов Г.Б., Яковенко С.А., Юрова Т.В.. Твердислов В.А.// Кластеры меди нанометровых размеров в монослоях и пленках Ленгмюра-Блоджетт. II Материалы Российской конференции с участием зарубежных ученых "Микроэлектроника-94", 1994, Звенигород, 28 ноября - 3 декабря, с. 455-456.

7. Хомутов Г.Б., Хванг Дон Юн, Яковенко С.А., Твердислов В.А., Бернхардт И. // Взаимодействие фуросемида и DIDS с Ленгмюровским монослоем стеариновой кислоты. II Препринт физического факультета МГУ, 1994 г., N3.

8. Зубилов А.А., Губин С.П., Короткое АН., Николаев А.Г., Солдатов Е.С., Ханин В.В., Хомутов Г.Б., Яковенко С.А. // Однозлектронное туннелирование через кластерную молекулу при комнатной температуре. // Письма в ЖТФ, 1994 г., том 20, вып. 5, с. 41-45.

9. Khomutov G.B., Yakovenko S.A., Yurova T.V., Tverdislov V.A. II Formation of nanosized copper containing clusters at the stearic acid monolayer - water interface. // Abstract book of the Seventh Int. Conf. on Organized Molecular Films (LB7), 1995, Numana (Ancona) - Italy, September, 10-15,1995, p. 13.

10.Yurova T.V., Khomutov G.B., Yakovenko S.A., Tverd"slov V.A., Tverdislo-va I.L. II Study on stearic acid Langmuir monolayer interactions with biologically-active substances. // Abstract book of the Seventh Int. Conf. on

Organized Molecular Films (LB7), 1995, Numana (Ancona) - Italy, September, 10-15, 1895, p. 115.

H.Yakovenko S.A., Soldatov E.S., Khanln V.V., Gubln S.P., Khomutov G.B. // Fabrication and properties of carboran clusters containing stearic LB films and possible applications for single electronics. // Abstract book of the Seventh Int. Conf. on Organized Molecular Films (LB7), 1995, Numana (Ancona) - Italy, September, 10-15,1995, p. 138.

12.Yakovenko S.A., Soldatov E.S., Khanln V.V., Gubln S.P., Khomutov G.B. // Fabrication an properties of carboran clusters containing stearic acid LB Alms and possible applications for single electron electronics. // Thin Solid Films, in press.

13.Юроаа T.B., Хомутов Г.Б., Яковенко C.A., Медведев О.С., Твердис-лова И.Л., Твердислов В.А. // Взаимодействие биологически активных веществ с ленгмюровским монослоем и свойства смешанных монослоев. // Физическая Мысль России, N 1,1995, с. 38-48.

Кэтрин Берр Блоджетт родилась 10 января 1898-го в Скенектади, Нью-Йорк (Schenectady, New York), и была вторым ребенком в семье. Ее отец был патентным поверенным в "General Electric" ("GE"), где, собственно, возглавлял патентный отдел. Его застрелил в его доме грабитель, прежде чем Кэтрин появилась на свет. Компания "GE" предложила 5 тыс. долл. за поимку убийцы. Найденный подозреваемый повесился в тюремной камере в Сейлеме (Salem, NY). Кэтрин, ее брат Джордж (George Jr.) и их мать переехали во Францию (France) в 1901-м.

В 1912-м Блоджетт вернулась в Нью-Йорк, где училась в частной школе, так что смогла получить прекрасное образование, чего были лишены многие девочки в то время. С малых лет Кэтрин показывала свои математические таланты, и впоследствии ей вручили стипендию в колледже Брин-Мор (Bryn Mawr College), где она преуспела в математике и физике. В 1917-м она получила степень бакалавра в колледже.

Решив продолжить свои научные исследования, Блоджетт в рождественские праздники посетила один из заводов "GE", где бывшие коллеги ее отца познакомили ее с химиком Ирвингом Ленгмюром (Irving Langmuir). После экскурсии по его лаборатории Ленгмюр сказал 18-летней Блоджетт, что она должна продолжать приумножать свои знания, чтобы попасть к нему на работу.

Прислушавшись к совету, Кэтрин в 1918-м поступила в Чикагский Университет (University of Chicago), где для своей диссертации выбрала тему "противогаз". В то время во всю бушевала Первая мировая, и войска особенно нуждались в защите от отравляющих веществ. Блоджетт удалось установить, что почти все ядовитые газы могут быть абсорбированы молекулами углерода. Ей был всего 21 год, когда она опубликовала научные материалы о противогазах в журнале "Physical Review".

В 1924-м Блоджетт была включена в программу по подготовке докторов философии в области физики. Она написала свою диссертацию о поведении электронов в ионизированных парах ртути. Долгожданную степень доктора Кэтрин получила в 1926-м. Как только она стала магистром, ее тут же приняли в корпорацию "GE" в качестве научного сотрудника. Приставленная к Ленгмюру, Блоджетт вместе с ним работала над созданием мономолекулярных пленок, предназначенных для покрытия поверхности воды, металла или стекла. Эти специальные пленки были масляными и могли храниться слоями толщиной всего в несколько нанометров.

В 1935-м Кэтрин разработала метод распространения мономолекулярных пленок по одной. Она использовала модифицированный стеарат бария для покрытия стекла в 44 мономолекулярных слоя, что позволило повысить его пропускаемость более чем на 99%. Так было создано "невидимое стекло", ныне называемое пленкой Ленгмюра-Блоджетт.

За время своей карьеры Блоджетт получила восемь патентов США и опубликовала более 30 научных статей в различных журналах. Она изобрела метод адсорбционной очистки ядовитых газов, противообледенительную систему для крыльев самолета и улучшила такой вид военной маскировки, как дымовая завеса.

Кэтрин никогда не была замужем. Она долгие годы жила счастливо в "бостонском браке" (лесбийских отношениях) с Гертрудой Браун (Gertrude Brown), представительницей старинного рода Скенектади. После Браун Блоджетт жила с Элси Эррингтон (Elsie Errington), директрисой школы для девочек. Кэтрин увлекалась театром, сама играла в спектаклях, любила садоводство и астрономию. Она собирала антиквариат, играла в бридж с друзьями и писала забавные стишки. Блоджетт умерла в своем доме 12 октября 1979-го.

Основы современных представлений о мономолекулярных пленках были заложены в работах А. Покельс и Рэлея в конце XIX – начале XX веков.

Исследуя явления происходящие на водной поверхности при загрязнении ее маслом Покельс установила, что значение поверхностного натяжения воды зависит от площади водной поверхности и объема наносимого на поверхность воды масла.

Рэлей, объясняя экспериментальные результаты полученные Покельс, предположил, что при нанесении на водную поверхность достаточно малого объема масла оно самопроизвольно растекается мономолекулярным слоем, а при уменьшении площади поверхности воды до критической молекулы масла образуют, касаясь друг друга, плотно упакованную структуру, что приводит к уменьшению значения поверхностного натяжения воды.

Наибольший вклад в изучение мономолекулярных пленок внес И.Ленгмюр. Ленгмюр был первым, кто занялся систематическим изучением плавающих монослоев на поверхности жидкости. Ленгмюр дал объяснение результатов экспериментов по снижению поверхностного натяжения водных растворов в присутствии поверностно-активных веществ, в 1917г. Разработал конструкцию прибора для прямого измерения внутреннего давления в монослое (весы Ленгмюра) и предложил новый экспериментальный метод для изучения мономолекулярных слоев. Ленгмюр показал, что многие нерастворимые в воде амфифильные вещества, представляющие собой полярные молекулы органических веществ содержащих гидрофильную часть – “голову” и гидрофобную часть – “хвост”, способны растекаясь по водной поверхности мономолекулярным слоем снижать ее поверхностное натяжение. Изучая зависимость поверхностного давления (поверхностное давление в монослое – отношение силы межмолекулярного отталкивания противодействующей сжатию пленки, к единичной длине монослоя (Н/м)) от площади монослоя, Ленгмюр обнаружил существование различных фазовых состояний монослоя.

Мономолекулярные пленки нерастворимых амфифильных веществ на поверхности жидкости получили название – Ленгмюровские пленки.

В начале 30-х годов К.Блоджетт осуществила перенос мономолекулярных пленок нерастворимых жирных кислот на поверхность твердой подложки, получив таким образом мультислойные пленки.

Подход Блоджетт, основанный на методике Ленгмюра, получил название технологии Ленгмюра-Блоджетт, а полученные таким способом пленки – пленки Ленгмюра-Блоджетт.

Рассмотрим двухфазную систему “газ-жидкость”.

Молекулы жидкости, находясь в объеме фазы, испытывают действие сил притяжения (когезии) со стороны окружающих молекул. Эти силы уравновешивают друг друга и равнодействующая их равна нулю. Молекулы, находящиеся на поверхности раздела “воздух-вода”, испытывают со стороны граничащих фаз действие разных по величине сил. Сила притяжения единицы объема жидкости много больше, чем единицы объема воздуха. Таким образом, равнодействующая сила, действующая на молекулу на поверхности жидкости, направлена внутрь объема жидкой фазы, сокращая площадь поверхности до минимально возможного значения при данных условиях.

Для увеличения поверхности жидкости нужно совершить определенную работу по преодолению внутреннего давления жидкости.

Увеличение поверхности сопровождается увеличением поверхностной энергии системы – энергии Гиббса. Бесконечно малое изменение поверхностной энергии Гиббса dG с бесконечно малым изменением поверхности dS при постоянстве давления p и температуры T дается выражением:

Где - поверхностное натяжение. Таким образом, поверхностное натяжение

=(G/S)| T,p,n = const,

где n – число молей компонентов.

Энергетическое определение: поверхностное натяжение – есть удельная свободная поверхностная энергия Гиббса. Тогда поверхностное натяжение равно работе затраченной на образование единицы поверхности (Дж/м 2).

Силовое определение: поверхностное натяжение – это сила, на поверхности по касательной к ней и стремящаяся сократить поверхность тела до минимально возможной при данном объеме и условиях (Н/м).

[Дж/м 2 = Н*м/м 2 = Н/м]

Согласно второму закону термодинамики, энергия Гиббса системы самопроизвольно стремиться к минимальному значению.

С увеличением температуры значение поверхностного натяжения границы раздела “газ-жидкость” уменьшается.

Рассмотрим поведение поверхностного натяжения на границе раздела фаз “газ-жидкость” в присутствии поверхностно-активного вещества (ПАВ).

Вещества, присутствие которых на границе фаз приводит к уменьшению значения поверхностного натяжения, называются ПАВ.

ПАВ имеют несимметричное строение молекулы, которая состоит из полярных и неполярных групп. Полярная группа обладает дипольным моментом и имеет сродство к полярной фазе. Полярными свойствами обладают группы –COOH, –OH, –NH 2 , –CHO и др.

Неполярная часть молекулы ПАВ представляет собой гидрофобную углеводородную цепь (радикал).

Молекулы ПАВ самопроизвольно образуют ориентированный монослой на поверхности раздела фаз в соответствии с условием уменьшения энергии Гиббса системы: полярные группы располагаются в водной (полярной) фазе, а гидрофобные радикалы вытесняются из водной среды и переходят в менее полярную фазу – воздух.

Молекулы ПАВ, в особенности их углеводородные радикалы, находясь на границе раздела “воздух-вода”, слабее взаимодействуют с молекулами воды, чем молекулы воды друг с другом. Таким образом, суммарная стягивающая сила на единицу длинны уменьшается приводя к уменьшению значения поверхностного натяжения по сравнению с чистой жидкостью.

В состав установки для изучения пленок Ленгмюра и получения пленок Ленгмюра-Блоджетт входят следующие основные блоки:

емкость, в которой находится жидкость (субфаза), называемая ванной,

поверхностные барьеры, движущиеся встречносогласованно по краям ванны,

электронные весы Вильгельми, для измерения величины поверхностного давления в монослое,

устройство перемещения подложки.

Сама ванна обычно изготавливается из политетрафторэтилена (фторопласта), что обеспечивает химическую инертность и предотвращает возможность утечки субфазы. Материалом для изготовления барьеров может также быть гидрофобный фторопласт, либо иной химически инертный материал.

Термостабилизация осуществляется циркуляцией воды по системе каналов находящихся под дном ванны.

Установка располагается на виброзащитном основании в специализированном помещении с искусственным климатом - “чистая комната”. Все используемые химические реактивы должны иметь высшую степень чистоты.

Для измерения поверхностного давления в монослое в современных установках Ленгмюра-Блоджетт используется датчик поверхностного давления – электронные весы Вильгельми.

Действие датчика основано на принципе измерения усилия необходимого для компенсации воздействия на пластинку Вильгельми силы поверхностного давления в монослое на границе раздела “субфаза-газ”.

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=glwt-’ghwt+2(t+w)cos ,

где ,’ – плотность пластинки и субфазы соответсвенно, - контактный угол смачивания, g – ускорение свободного падения. Материал пластинки Вильгельми выбирается таким образом, чтобы =0.

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:

где ’ – поверхностное натяжение чистой воды. Для пластинки Вильгельми характерно t<

F/2t=mg/2t [Н/м],

где m – измеряемая весами Вильгельми величина.

Особенностью метода Ленгмюра-Блоджетт является то, что сплошной упорядоченный мономолекулярный слой, предварительно формируется на поверхности субфазы и впоследствии переносится на поверхность подложки.

Формирование упорядоченого монослоя на поверхности субфазы происходит следующим образом. Определенный объем раствора исследуемого вещества в легколетучем растворителе наносится на поверхность субфазы. После испарения растворителя на поверхности воды образуется мономолекулярная пленка, молекулы в которой расположены хаотически.

При постоянной температуре T состояние монослоя описывается изотермой сжатия -А, отражающей соотношение между величиной поверхностного давления барьера и удельной молекулярной площадью А.

С помощью подвижного барьера монослой поджимается до получения сплошной пленки с плотной упаковкой молекул, в которой удельная молекулярная площадь А приблизительно равна площади поперечного сечения молекулы, а углеводородные радикалы ориентированы почти вертикально.

Линейные участки на зависимости -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 ( =0 мН/м).

Следует отметить, что фазовое состояние локализованного на границе раздела “субфаза-газ” монослоя амфифильного вещества (АМФВ) определяется адгезионно-когезионным балансом сил в системе “субфаза-монослой” и зависит от природы вещества и строения его молекул, температуры T и состава субфазы. Выделяют газообразные G, жидкие L1, жидко-кристаллические L2 и твердо- кристаллические S монослои.

Сформированный монослой, состоящий из плотноупакованных молекул АМФВ, переносится на движущуюся вниз-вверх через поверхность воды твердую подложку. В зависимости от типа поверхности подложки (гидрофильная или гидрофобная) и последовательности пересечения подложкой поверхности субфазы с монослоем и без монослоя, можно получать ПЛБ с симметричной (Y) или асимметричной (X, Z) структуры.

Значение поверхностного давления , при котором проводится перенос монослоя на подложку, определяется по изотерме сжатия данного АМФВ и соответствует состоянию с плотной упаковкой молекул в монослое. В процессе переноса давление поддерживается постоянным за счет сокращения площади монослоя движущимися барьерами.

Критерием степени покрытия подложки монослоем, является коэффициент переноса k, который определяется по формуле:

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<=50нм.

Термин пленки Лэнгмюра-Блоджетт (Langmuir - Blodgett films ) обозначает моно- или многослойные пленки, перенесенные с границы раздела вода–воздух (в общем случае жидкость–воздух) на твердую подложку.

Историческая справка.

История открытия пленки Ленгмюра-Блоджетт начинается с 1774 года с одного из многочисленных увлечений Бенджамина Франклина , выдающегося американского ученого и дипломата.

Франклин в свободное время экспериментировал с масляными пленками на поверхности воды. Ученый был изрядно удивлен, когда выяснилось, что одна ложка масла растекается по поверхности пруда площадью в пол-акра (1акр = 4046,86 м 2 ). Если подсчитать толщину образовавшейся пленки, то окажется, что она не превышает десяти нанометров; иначе говоря, пленка содержит только один слой молекул. Этот факт, однако, был осознан лишь 100 лет спустя.

В 1891 году , занимаясь мытьем посуды на кухне, обнаружила влияние примесей таких как мыло, стеариновая кислота и оливковое масло на поверхностное натяжение жидкостей. Для измерения поверхностного натяжения она разработала «ванну Поккельс», которую впоследствии усовершенствованную . Оказалось, что сплошная мыльная пленка заметно понижает поверхностное натяжение. О своих опытах Поккельс написала знаменитому английскому физику и математику лорду Релею, а тот направил письмо в журнал «Nature », снабдив своими комментариями. Затем Релей сам воспроизвел опыты и пришел к следующему выводу: «Наблюдаемые явления выходят за рамки лапласовской теории, и их объяснение требует молекулярного подхода». Иными словами, сравнительно простых - феноменологических - соображений оказалось недостаточно, нужно было привлекать представления о молекулярном строении вещества, тогда еще далеко не очевидные и не общепринятые.

Вскоре на научной сцене появился американский ученый и инженер . Он разработал много новых экспериментальных приемов, которые подтвердили мономолекулярную природу поверхностных пленок и даже позволили определить ориентацию молекул и удельную площадь, ими занимаемую. Более того, был первым, кто начал переносить пленки толщиной в одну молекулу - монослои - с поверхности воды на твердые подложки. Впоследствии его ученица разработала технику многократного переноса одного монослоя за другим, так что на твердой подложке получалась стопчатая структура-этажерка, или мультислой, называемый теперь пленкой Ленгмюра-Блоджетт.

Технология Ленгмюра-Блоджетт .

В начале статьи было сказано, что обозначает термин "пленки Ленгмюра-Блоджетт" , повторимся еще раз: пленки Лэнгмюра–Блоджетт – это моно- или многослойные пленки, перенесенные с границы раздела жидкость–воздух на твердую подложку. В качестве жидкой среды чаще всего используется деионизованная вода, но могут использоваться и другие жидкости, например, глицерин и ртуть. При этом с поверхности воды должны быть удалены все органические примеси через фильтр из активированного угля.

– молекулы, часть которых является гидрофильной, т.е. растворяется, смачиваются или набухают в воде, а другая часть является гидрофобной, т.е. не взаимодействует с водой. Классический пример такого вещества является стеариновая кислота (С 17 Н 35 СOОН), в которой длинный гидрокарбонатный «хвост» (С 17 Н 35 -) является гидрофобным, а основная (головная) карбоксильная группа (- СOОН) является гидрофильной. Так как или амфифильные вещества имеют один гидрофильный конец, а другой конец гидрофобный, они располагаться на границах раздела, таких как воздух–вода или масло-вода.

Уникальным свойством пленок Ленгмюра-Блоджетт является возможность формирования упорядоченной структуры на твердой поверхности из некристаллического материала . Это позволяет переносить монослои на различные подложки. В большинстве случаев используются подложки с гидрофильной поверхностью, когда монослои переносятся в стянутом виде. Можно использовать такие материалы, как стекло, кварц, алюминий, хром, олово (последние в окисленном виде, например, Al 2 O 3 /Al), золото, серебро и полупроводниковые материалы (кремний, арсенид галия и др.).

Известны две разновидности метода переноса монослоев с границы раздела вода-воздух на твердую подложку. Первый, наиболее распространенный вариант – вертикальное осаждение был впервые продемонстрирован и . Они показали, что монослой амфифильного вещества может быть осажден с границы раздела вода–воздух посредством вертикального смещения пластины (рис. 1).

Рис.1. Принципиальная схема получения пленок Ленгмюра–Блоджетт.

Когда подложка двигается через монослой на границе вода–воздух, монослой может быть перенесен в процессе всплывания (подъема вверх) или погружения (опускания вниз). Монослой обычно переносится в процессе всплывания, если поверхность подложки гидрофильная. Если же поверхность подложки гидрофобная, монослой можно будет перенести в процессе погружения, так как гидрофобные алкильные цепочки взаимодействуют с поверхностью. Если процесс осаждения начинается с гидрофильной подложки, она становится гидрофобной после осаждения первого монослоя, и, таким образом, второй монослой будет перенесен при погружении. Этот способ является наиболее общим способом формирования многослойных пленок для амфифильных молекул, в которых головные группы являются сильно гидрофильными (- СООН, - РО 3 Н 2 и др.), а другой конец («хвост») – является алкильной цепочкой.

Второй метод создания пленок Ленгмюра-Блоджетт– горизонтальный метод подъема , «горизонтальный лифт» который был разработан и Шайфером в 1938г. Метод Шайфера полезен для осаждения очень твердых (жестких) пленок. В этом случае сначала формируется сжатый монослой на границе раздела вода–воздух (рис.2,а). Затем плоская подложка располагается горизонтально на пленку монослоя (рис.2,б,в). Когда эта подложка поднимается вверх и отделяется от поверхности воды, монослой переносится на подложку (рис.2,г), сохраняя,теоретически, такое же направление молекул. Рис. 2. Схематическое изображение метода Лэнгмюра-Шайфера

Введение

Пленки Ленгмюра-Блоджетт принципиально новый объект современной физики, и любые их свойства необычны. Даже простые пленки, составленные из одинаковых монослоев, имеют ряд уникальных особенностей, не говоря уже о специально построенных молекулярных ансамблях. Пленки Ленгмюра-Блоджетт находят разнообразное практическое применение в различных областях науки и техники: в электронике, оптике, прикладной химии, микромеханике, биологии, медицине и др. Ленгмюровские монослои с успехом используются в качестве модельных объектов для изучения физических свойств упорядоченных двумерных структур. Метод Ленгмюра-Блоджетт позволяет достаточно просто изменять свойства поверхности монослоя и формировать качественные пленочные покрытия. Все это возможно за счет точного контроля толщины получаемой пленки, однородности покрытия, низкой шероховатости и высокой, при подборе правильных условий, адгезии пленки к поверхности. Свойства пленок можно также легко варьировать, изменяя структуру полярной головки амфифильной молекулы, состав монослоя, а также условия выделения - состав субфазы и поверхностное давление. Метод Ленгмюра-Блоджетт позволяет встраивать в монослой различные молекулы и молекулярные комплексы, в том числе и биологически активные.

1.
История открытия ленгмюровской плёнки

Эта история начинается с одного из многочисленных увлечений Бенджамина Франклина, выдающегося американского ученого и респектабельного дипломата. Будучи в 1774 году в Европе, где он улаживал очередной конфликт между Англией и Североамериканскими Штатами, Франклин в свободное время экспериментировал с масляными пленками на поверхности воды. Ученый был изрядно удивлен, когда выяснилось, что всего-навсего одна ложка масла растекается по поверхности пруда площадью в пол-акра (1 акр≈ 4000 м 2). Если подсчитать толщину образовавшейся пленки, то окажется, что она не превышает десяти нанометров (1 нм= 10 -7 см); иначе говоря, пленка содержит только один слой молекул. Этот факт, однако, был осознан лишь 100 лет спустя. Некая любознательная англичанка по имени Агнес Поккельс в своей собственной ванне принялась измерять поверхностное натяжение воды, загрязненной органическими примесями, а попросту говоря, мылом. Оказалось, что сплошная мыльная пленка заметно понижает поверхностное натяжение (напомним, что оно представляет собой энергию поверхностного слоя в расчете на единицу площади). О своих опытах Поккельс написала знаменитому английскому физику и математику лорду Релею, а тот направил письмо в солидный журнал, снабдив своими комментариями. Затем Релей сам воспроизвел опыты Поккельс и пришел к следующему выводу: «Наблюдаемые явления выходят за рамки лапласовской теории, и их объяснение требует молекулярного подхода». Иными словами, сравнительно простых - феноменологических - соображений оказалось недостаточно, нужно было привлекать представления о молекулярном строении вещества, тогда еще далеко не очевидные и не общепринятые. Вскоре на научной сцене появился американский ученый и инженер Ирвинг Ленгмюр (1881…1957 гг.). Вся его научная биография опровергает известное «определение», согласно которому «физик - это тот, кто все понимает, но ничего не знает; химик, наоборот, все знает и ничего не понимает, а физикохимик и не знает и не понимает. Ленгмюр удостоен Нобелевской премии именно за свои работы по физической химии, замечательные по простоте и продуманности. Помимо ставших классическими результатов, полученных Ленгмюром в области термоэлектронной эмиссии, вакуумной техники и абсорбции, он разработал много новых экспериментальных приемов, которые подтвердили мономолекулярную природу поверхностных пленок и даже позволили определить ориентацию молекул и удельную площадь, ими занимаемую. Более того, 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.

2. Молекулы русалки

Оказывается, у достаточно сложных молекул имеются свои пристрастия. Например, одни органические молекулы «любят» контактировать с водой, а другие избегают такого контакта, «боятся» воды. Их и называют соответственно - гидрофильными и гидрофобными молекулами. Существуют, однако, еще и молекулы вроде русалок - одна их часть гидрофильная, а другая гидрофобная. Молекулы-русалки должны решить для себя проблему: быть им в воде или не быть (если мы пытаемся приготовить их водный раствор). Найденное решение оказывается поистине соломоновым: конечно же, они будут в воде, но только наполовину. Молекулы-русалки располагаются на поверхности воды так, что их гидрофильная головка (обладающая, как правило, разделенными зарядами - электрическим дипольным моментом) опущена в воду, а гидрофобный хвост (обычно это углеводородная цепочка) высовывается наружу в окружающую газообразную среду (рис. 1).

Положение русалок несколько неудобное, зато оно удовлетворяет одному из основных принципов физики систем из многих частиц - принципу минимума свободной энергии и не противоречит нашему опыту. При образовании мономолекулярного слоя на поверхности воды гидрофильные головки молекул опущены в воду, а гидрофобные хвосты торчат вертикально над водной поверхностью. Не следует думать, что склонностью к расположению сразу в двух фазах (водной и неводной), так называемой амфифильностью, обладают лишь какие-то экзотические вещества. Напротив, методами химического синтеза можно, по крайней мере в принципе, «пришить» гидрофобный хвост практически к любой органической молекуле, так что ассортимент молекул-русалок исключительно широк, и все они могут иметь самое разнообразное предназначение.

3.
Типы ленгмюровских пленок

Есть два способа переноса монослоев на твердые подложки, причем оба они подозрительно просты, так как могут быть осуществлены буквально голыми руками.

Монослои амфифильных молекул можно перенести с поверхности воды на твердую подложку методом Ленгмюра - Блоджетт (вверху) или методом Шеффера (внизу). Первый способ состоит в «протыкании» монослоя вертикально движущейся подложкой. Он позволяет получать слои как X - (молекулярные хвосты направлены к подложке), так и Z-типа (обратное направление). Второй способ - это просто касание монослоя горизонтально ориентированной подложкой. Он дает монослои X-типа. Первый способ изобретен Ленгмюром и Блоджетт. Монослой с помощью плавучего барьера превращают в жидкий кристалл - приводят в двухмерное жидкокристаллическое состояние, а затем буквально протыкают его подложкой. При этом поверхность, на которую нужно перенести пленку, ориентируют вертикально. Ориентация же молекул-русалок на подложке зависит от того, опускают ли подложку сквозь монослой в воду или, наоборот, поднимают из воды в воздух. Если подложку погружают в воду, то хвосты «русалок» оказываются направленными к подложке (Блоджетт назвала такую конструкцию монослоем X-типа), а если вытаскивают, то, наоборот, от подложки (монослой Z-типа), рис. 2а. Повторяя перенос одного монослоя за другим в различных условиях, можно получать мультислои-этажерки трех разных типов (X, Y, Z), которые отличаются друг от друга своей симметрией. Например, в мультислоях X- и Z-типов (рис. 3) отсутствует центр отражения - инверсии, и они обладают полярной осью, направленной от подложки или к подложке, в зависимости от ориентации разнесенных в пространстве положительного и отрицательного электрических зарядов, то есть в зависимости от направления электрического дипольного момента молекулы. Мультислои же Y-типа составлены из двойных слоев, или, как говорят, бислоев (кстати сказать, они построены аналогично биологическим мембранам), и оказываются центрально-симметричными. Многослойные структуры X-, Z- и Y-типов отличаются ориентацией молекул относительно подложки. Структуры X- и Z-типов полярны, так как все молекулы «смотрят» согласованно в одну сторону (хвосты - к подложке или от подложки для X- и Z-типов соответственно).

Рис. 3. Структуры X- и Z-типов

структура соответствует неполярной двухслойной упаковке, напоминающей устройство биологической мембраны. Второй способ предложен Шеффером - тоже учеником Ленгмюра. Подложка ориентируется практически горизонтально и приводится в легкое соприкосновение с монослоем, который удерживается в твердой фазе (рис. 2б). Монослой просто прилипает к подложке. Повтором этой операции можно получить мультислой X-типа. На Рис. 4 показан процесс осаждения монослоя при поднятии подложки из субфазы: гидрофильные головы амфифильных молекул «прилипают» к подложке. Если же подложка опускается из воздуха в субфазу, то молекулы «прилипают» к ней углеводородными хвостами.

. Установки для получения пленок

Общая блок-схема Ленгмюровской установки

1 - ленгмюровская ванна; 2 - прозрачный герметичный бокс;

Массивная металлическая плита-основание; 4 - амортизаторы;

Подвижный барьер; 6 - весы Вильгельми; 7 - пластинка весов Вильгельми; 8 - подложка; 9 - электропривод барьера(5);- электропривод подложки(8); II - перистальтический насос;- АЦП/ЦАП интерфейс с усилителями мощности;

Персональный компьютер IBM РС/486.

Управление установкой осуществляется через персональный компьютер с помощью специальной программы. Для измерения поверхностного давления используются весы Вильгельми (поверхностное давление монослоя p есть разность поверхностных натяжений на чистой поверхности воды и на поверхности, покрытой монослоем ПАВ). Фактически весы Вильгельми измеряют силу F=F 1 +F 2, с которой смачиваемая в воде пластинка втягивается в воду (см. рис. 7). В качестве смачивающейся пластины используется кусочек фильтровальной бумаги. Напряжение на выходе весов Вильгельми линейно связано с поверхностным давлением p. Это напряжение поступает на вход АЦП, установленного в компьютере. Площадь монослоя измеряется с помощью реостата, падение напряжения на котором прямо пропорционально значению координаты подвижного барьера. Сигнал с реостата также поступает на вход АЦП. Для осуществления последовательного переноса монослоя с поверхности воды на твердотельную подложку с образованием мультислойных структур используется механическое устройство (10), медленно (со скоростью нескольких мм в минуту) опускающее и поднимающее подложку (8) сквозь поверхность монослоя. По мере последовательного перенесения монослоев на подложку количество вещества, образующего монослой, на поверхности воды уменьшается, и подвижный барьер (5) передвигается автоматически, поддерживая поверхностное давление постоянным. Управление подвижным барьером (5) осуществляется через компьютер с помощью напряжения подаваемого с выхода ЦАП через усилитель мощности на соответствующий мотор. Управление движением подложки происходит с пульта управления с помощью ручек грубой и плавной регулировки скорости подложки. Питающее напряжение подается с блока питания на пульт управления, а оттуда через усилитель мощности на электродвигатель подъемного механизма.

Автоматизированная установка KSV 2000

Методика получения пленок Ленгмюра-Блоджетт включает множество элементарных технологических операций, т.е. элементарных воздействий на систему извне, в результате которых в системе «субфаза - монослой - газ - подложка» имеют место структуро-формирующие процессы, определяющие в конечном счете качество и свойства мультиструктур. Для получения пленок использовалась автоматизированная установка KSV 2000. Схема установки приведена на Рис. 8.

Рис. 8. Схема установки KSV 2000

Под защитным колпаком 1 размещена симметричная трехсекционная тефлоновая кювета 2 на антивибрационном столе 11, по бортам которой осуществляется встречносогласованное передвижение тефлоновых барьеров 5. Поверхностное давление на границе раздела «субфаза 4 - газ» определяется электронным датчиком поверхностного давления 6. Блок управления 7 связан с двигателем перемещения барьеров 8 и обеспечивает поддержание заданного поверхностного давления (определяемого из изотермы сжатия и соответствующего упорядоченному состоянию монослоя) в процессе переноса монослоя на поверхность подложки. Подложка 3 зажимается в держателе под определенным углом к поверхности субфазы и перемещается устройством 10 (оснащенное механизмом переноса подложки между секциями кюветы) с помощью привода 9. Перед технологическим циклом осуществляется предварительная подготовка поверхности субфазы 12 посредством очистки с помощь насоса 13. Установка автоматизирована и оснащена компьютером 14. Основная часть установки - тефлоновая кювета (вид сверху представлен на Рис. 9) - состоит из трех отсеков: двух одинакового размера для распыления различных веществ на субфазу и одного маленького с чистой поверхностью. Наличие у представленной установки трехсекционной кюветы, механизма переноса подложки между секциями и двух независимых каналов управления барьерами позволяет получать смешанные ленгмюровские пленки, состоящие из монослоев различных веществ.

На Рис. 10 изображен один из двух одинаковых отсеков кюветы с датчиком поверхностного давления и барьерами. Площадь поверхности монослоя изменяется благодаря движению барьеров. Барьеры сделаны из тефлона и достаточно тяжелые, чтобы предотвратить протечку монослоя под барьер.

Рис. 10. Отсек кюветы

Технические характеристики установки:

Максимальный размер подложки 100*100 мм

Скорость осаждения пленки 0.1-85 мм/мин

Количество циклов осаждения 1 и более

Время сушки пленки в цикле 0-10 4 сек

Область измерения поверхностного 0-250 мН/м

давления

Точность измерения 5 мкН/м

поверхностного давления

Площадь большого отсека установки 775*120 мм

Объем субфазы 5.51 л

Термостатирование субфазы 0-60 °С

Скорость барьеров 0.01-800 мм/мин

5. Факторы, влияющие на качество пленок Ленгмюра-Блоджетт

Фактор качества пленок Ленгмюра-Блоджетт выражается следующим

образом:

К = f (K ус, К тех, К пав, К мс, Кп),

ус - измерительные устройства;

Ктех - технологическая чистота;

Кпав - физико-химическая природа поверхностно-активного вещества, распыляемого на субфазу;

К мс - фазовое состояние монослоя на поверхности субфазы;

Кп - тип подложки.

Первые два фактора относятся к конструкторско-технологическим, а остальные - к физико-химическим.

Измерительные устройства включают устройства перемещения подложки и барьера. Требования, предъявляемые к ним при формировании мультиструктур, следующие:

Отсутствие механических вибраций;

Постоянство скорости перемещения образца;

Постоянство скорости перемещения барьера;

Поддержание высокого уровня технологической чистоты

Контролем чистоты исходных материалов (использование дистиллированной воды в качестве основы субфазы, приготовление растворов ПАВ и электролитов непосредственно перед их применением);

Проведением подготовительных операций, таких, как травление и отмывка подложек;

Предварительной очисткой поверхности субфазы;

Созданием в рабочей зоне установки квазизамкнутого объема;

Проведением всех работ в специализированном помещении с искусственным климатом - «чистой комнате».

Фактор, определяющий физико-химическую природу поверхностно-активного вещества, характеризует такие индивидуальные свойства вещества, как:

Структура (геометрия) молекулы, определяющая соотношение гидрофильных и гидрофобных взаимодействий между молекулами самого ПАВ и молекулами ПАВ и субфазы;

Растворимость ПАВ в воде;

Химические свойства ПАВ

Для получения пленок высокого структурного совершенства необходим контроль следующих параметров:

поверхностное натяжение в монослое и коэффициент переноса, характеризующий наличие дефектов в ПЛБ;

температура, давление и влажность окружающей среды,

PH-субфазы,

Скорость осаждения пленки

Коэффициент сжимаемости для участков изотермы, определяющийся следующим образом:

где (S, P) - координаты начала и конца линейного участка изотермы.

6. Уникальные свойства пленок

Мультислой - принципиально новый объект современной физики, и потому любые их свойства (оптические, электрические, акустические и т.д.) совершенно необычны. Даже простейшие структуры, составленные из одинаковых монослоев, имеют ряд уникальных особенностей, не говоря уже о специально построенных молекулярных ансамблях.

Коль скоро мы уже умеем получать монослой одинаково ориентированных молекул на твердой подложке, возникает соблазн подключить к нему источник электрического напряжения или, скажем, измерительный прибор. Тогда мы фактически подключаем эти устройства непосредственно к концам индивидуальной молекулы. Еще совсем недавно такой эксперимент был невозможен. К монослою можно приложить электрическое поле и наблюдать за сдвигом полос оптического поглощения вещества или измерять туннельный ток во внешней цепи. Подключение источника напряжения к монослою через пару пленочных электродов приводит к двум весьма выразительным эффектам (рис. 11). Во-первых, электрическое поле изменяет положение полос поглощения света молекулой на шкале длин волн. Это классический эффект Штарка (названный так по имени известного немецкого физика, открывшего его в 1913 году), который, однако, в данном случае имеет интересные особенности. Дело в том, что направление сдвига полосы поглощения зависит, как оказалось, от взаимной ориентации вектора электрического поля и собственного дипольного момента молекулы. И вот к чему это приводит: для одного и того же вещества и к тому же при одинаковом направлении поля полоса поглощения сдвигается в красную область для монослоя X-типа и в синюю - для монослоя Z-типа. Таким образом, по направлению сдвига полосы можно судить об ориентации диполей в монослое. Качественно эта физическая ситуация понятна, но, если попытаться интерпретировать смещения полос количественно, возникает интереснейший вопрос о том, как именно распределено электрическое поле вдоль сложной молекулы. Теория эффекта Штарка построена в предположении о точечных атомах и молекулах (это естественно - ведь их размеры намного меньше той длины, на которой изменяется поле), здесь же подход должен быть в корне другим, и пока еще он не разработан. Другой эффект состоит в протекании туннельного тока через монослой (речь идет о механизме квантово-механического просачивания электронов сквозь потенциальный барьер). При низких температурах туннельный ток через ленгмюровский монослой действительно наблюдается. Количественная интерпретация этого сугубо квантового явления тоже должна включать учет сложной конфигурации молекулы-русалки. А что может дать подключение вольтметра к монослою? Оказывается, тогда можно следить за изменением электрических характеристик молекулы при воздействии внешних факторов. Например, освещение монослоя иногда сопровождается заметным перераспределением заряда в каждой молекуле, поглотившей квант света. Это эффект так называемого внутримолекулярного переноса заряда. Квант света как бы перемещает электрон вдоль молекулы, а это наводит во внешней цепи электрический ток. Вольтметр, таким образом, регистрирует внутримолекулярный электронный фотопроцесс. Внутримолекулярное перемещение зарядов можно вызвать и путем изменения температуры. При этом изменяется суммарный электрический дипольный момент монослоя, и во внешней цепи регистрируется так называемый пироэлектрический ток. Подчеркнем, что ни одно из описанных явлений не наблюдается в пленках с хаотическим распределением молекул по ориентациям.

Ленгмюровские пленки можно применить для моделирования эффекта концентрации световой энергии на какой-то избранной молекуле. Например, на начальной стадии фотосинтеза в зеленых растениях свет поглощается молекулами хлорофилла определенного типа. Возбужденные молекулы живут достаточно долго, и самовозбуждение может перемещаться по однотипным плотно расположенным молекулам. Такое возбуждение называется экситоном. «Прогулка» экситона заканчивается в момент попадания его в «волчью яму», роль которой играет молекула хлорофилла другого типа с несколько меньшей энергией возбуждения. Именно этой избранной молекуле и передается энергия от многих экситонов, возбужденных светом. Энергия света, собираемая с большой площади, концентрируется на микроскопическом участке - получается «воронка для фотонов». Эту воронку удается смоделировать с помощью монослоя поглощающих свет молекул, в который вкраплено небольшое число молекул - перехватчиков экситонов. После захвата экситона молекула-перехватчик излучает свет с характерным для нее спектром. Такой монослой показан на рис. 12а. При его освещении можно наблюдать люминесценцию как молекул - поглотителей света, так и молекул - перехватчиков экситонов. Интенсивность полос люминесценции молекул обоих типов примерно одинакова (рис. 12б), хотя их численности отличаются на 2…3 порядка. Это и доказывает, что существует механизм концентрации энергии, то есть эффект фотонной воронки.

Сегодня в научной литературе активно дискутируется вопрос: можно ли сделать двухмерные магниты? А на физическом языке речь идет о том, имеется ли принципиальная возможность того, что при взаимодействии молекулярных магнитных моментов, расположенных в одной плоскости, возникнет спонтанная намагниченность. Чтобы решить эту проблему, в амфифильные молекулы-русалки вводят атомы переходных металлов (например, марганца), а затем получают монослои методом Блоджетт и изучают их магнитные свойства при низких температурах. Первые результаты говорят о возможности ферромагнитного упорядочения в двухмерных системах. И еще один пример, демонстрирующий необычные физические свойства ленгмюровских пленок. Оказывается, на молекулярном уровне можно осуществить перенос информации от одного монослоя к другому, соседнему. После этого соседний монослой можно отделить и, таким образом, получить копию того, что было «записано» в первом монослое. Делается это следующим образом. Пусть, например, мы получили методом Блоджетт монослой из таких молекул, которые способны спариваться - димеризоваться - под действием внешних факторов, например, электронного луча (рис. 13). Неспаренные молекулы будем считать нулями, а спаренные - единицами двоичного информационного кода. С помощью этих нулей и единиц можно, например, записать текст, считываемый оптически, поскольку неспаренные и спаренные молекулы имеют разные полосы поглощения. Теперь на этот монослой методом Блоджетт будем наносить второй монослой. Тогда в силу особенностей межмолекулярного взаимодействия молекулярные пары притягивают к себе точно такие же пары, а молекулы-одиночки предпочитают одиночек. В результате работы этого «клуба по интересам» информационная картина повторится на втором монослое. Отделив верхний монослой от нижнего, можно получить копию. Такой копировальный процесс вполне аналогичен процессу репликации информации с молекул ДНК - хранителей генетического кода - на молекулы РНК, переносящие информацию к месту синтеза белков в клетках живых организмов.

Заключение

Почему ЛБ-метод еще не внедрен повсеместно? Потому что на кажущемся таким очевидным пути встречаются подводные камни. ЛБ-техника внешне проста и дешева (не нужен сверхвысокий вакуум, высокие температуры и т.п.), однако первоначально требует значительных затрат для создания особо чистых помещений, так как любая пылинка, осевшая даже на одном из монослоев в гетероструктуре - это незалечиваемый дефект. Структура монослоя полимерного материала, как выяснилось, существенно зависит от типа растворителя, в котором готовится раствор для нанесения на ванну.

Сейчас уже достигнуто понимание принципов, согласно которым можно планировать и осуществлять конструирование и производство наноструктур с помощью ленгмюровской технологии. Однако требуются новые методы исследования характеристик уже изготовленных наноустройств. Поэтому мы сможем добиться большего прогресса в проектировании, изготовлении и сборке наноструктур только после того, как глубже поймем закономерности, определяющие физико-химические свойства таких материалов и их структурную обусловленность. Для исследования ЛБ-пленок традиционно применяется рентгеновская и нейтронная рефлектометрия и дифракция электронов. Однако дифракционные данные всегда усреднены по области, на которой сфокусирован пучок излучения. Поэтому они дополняются в настоящее время атомно-силовой и электронной микроскопией. Наконец, самые последние достижения в структурных исследованиях связаны с запуском синхротронных источников. Стали создаваться станции, в которых совмещаются ЛБ-ванна и рентгеновский дифрактометр, благодаря чему структуру монослоев можно исследовать непосредственно в процессе формирования на водной поверхности. Нанонаука и развитие нанотехнологий еще находятся на начальной стадии развития, но потенциальные перспективы их широки, методы исследования постоянно совершенствуются и работы впереди - не початый край.

Литература

монослой пленочный ленгмюр блоджетт

1. Блинов Л.М. «Физические свойства и применение ленгмюровских моно - и мульти-молекулярных структур». Успехи химии. т. 52, №8, с. 1263…1300, 1983.

2. Блинов Л.М. «Ленгмюровские пленки» Успехи физических наук, т. 155, №3 с. 443…480, 1988.

3. Савон И.Е. Дипломная работа // Исследование свойств ленгмюровских пленок и их получение. Москва 2010 стр. 6-14