Una película de Langmuir-Blodgett (LB) es un sistema nanoestructurado que se forma cuando las películas de Langmuir, o monocapas de Langmuir (LM), se transfieren desde la interfaz líquido-gas a los soportes sólidos durante el paso vertical del soporte a través de las monocapas. Las películas LB pueden contener una o más monocapas de un material orgánico, depositadas desde la superficie de un líquido sobre un sólido sumergiendo (o sumergiendo) el sustrato sólido en (o desde) el líquido. Una monocapa se adsorbe de forma homogénea con cada inmersión o paso de emersión, por lo que se pueden formar películas con espesores muy precisos. Este espesor es exacto porque se conoce el espesor de cada monocapa y, por lo tanto, se puede sumar para encontrar el espesor total de una película de Langmuir-Blodgett.
Las monocapas se ensamblan verticalmente y generalmente están compuestas por moléculas anfifílicas (ver Polaridad química ) con una cabeza hidrofílica y una cola hidrofóbica (ejemplo: ácidos grasos ) o hoy en día comúnmente de nanopartículas . [1]
Las películas de Langmuir-Blodgett llevan el nombre de Irving Langmuir y Katharine B. Blodgett , quienes inventaron esta técnica mientras trabajaban en Investigación y Desarrollo para General Electric Co.
Antecedentes históricos
Los avances en el descubrimiento de las películas de LB y LM comenzaron con Benjamin Franklin en 1773, cuando dejó caer una cucharadita de aceite en un estanque. Franklin notó que las olas se calmaron casi instantáneamente y que la calma de las olas se extendió por aproximadamente medio acre . [2] Lo que Franklin no se dio cuenta fue que el aceite había formado una monocapa sobre la superficie del estanque. Más de un siglo después, Lord Rayleigh cuantificó lo que Benjamin Franklin había visto. Sabiendo que el aceite, el ácido oleico , se había esparcido uniformemente sobre el agua, Rayleigh calculó que el espesor de la película era de 1,6 nm al conocer el volumen de aceite caído y el área de cobertura.
Con la ayuda del fregadero de su cocina, Agnes Pockels mostró que el área de las películas se puede controlar con barreras. Añadió que la tensión superficial varía con la contaminación del agua. Usó diferentes aceites para deducir que la presión de la superficie no cambiaría hasta que el área estuviera confinada a aproximadamente 0,2 nm 2 . Este trabajo fue escrito originalmente como una carta a Lord Rayleigh, quien luego ayudó a Agnes Pockels a publicarse en la revista Nature en 1891.
El trabajo de Agnes Pockels preparó el escenario para Irving Langmuir, quien continuó trabajando y confirmó los resultados de Pockels. Utilizando la idea de Pockels, desarrolló el canal Langmuir (o Langmuir-Blodgett ). Sus observaciones indicaron que la longitud de la cadena no afectaba el área afectada ya que las moléculas orgánicas estaban dispuestas verticalmente.
El gran avance de Langmuir no se produjo hasta que contrató a Katherine Blodgett como su asistente. Blodgett inicialmente fue a buscar trabajo en General Electric ( GE ) con Langmuir durante las vacaciones de Navidad de su último año en Bryn Mawr College , donde recibió una licenciatura en Física . Langmuir le aconsejó a Blodgett que debería continuar su educación antes de trabajar para él. Posteriormente asistió a la Universidad de Chicago para obtener su maestría en Química . Una vez completada su maestría, Langmuir la contrató como su asistente. Sin embargo, los avances en la química de superficies ocurrieron después de que recibió su doctorado en 1926 de la Universidad de Cambridge .
Mientras trabajaban para GE, Langmuir y Blodgett descubrieron que cuando se inserta una superficie sólida en una solución acuosa que contiene restos orgánicos, las moléculas orgánicas depositarán una monocapa de manera homogénea sobre la superficie. Este es el proceso de deposición de película de Langmuir-Blodgett. Gracias a este trabajo en química de superficies y con la ayuda de Blodgett, Langmuir fue galardonado con el Premio Nobel en 1932. Además, Blodgett utilizó la película Langmuir-Blodgett para crear un vidrio antirreflectante transparente al 99% al recubrir el vidrio con compuestos orgánicos fluorados, formando una Recubrimiento antirreflectante simple .
Percepción física
Las películas de Langmuir se forman cuando las moléculas anfifílicas (tensioactivos) o nanopartículas se esparcen sobre el agua en una interfaz aire-agua. Los tensioactivos (o agentes de acción superficial) son moléculas con "colas" hidrófobas y "cabezas" hidrófilas. Cuando la concentración de tensioactivo es menor que la concentración superficial mínima de colapso y es completamente insoluble en agua, las moléculas de tensioactivo se organizan como se muestra en la Figura 1 a continuación. Esta tendencia puede explicarse por consideraciones de energía superficial. Dado que las colas son hidrófobas, se favorece su exposición al aire sobre la del agua. De manera similar, dado que las cabezas son hidrófilas, la interacción cabeza-agua es más favorable que la interacción aire-agua. El efecto general es la reducción de la energía superficial (o equivalentemente, la tensión superficial del agua).
Figura 1: Moléculas de tensioactivo dispuestas en una interfaz aire-agua
Para concentraciones muy pequeñas, lejos de la densidad de superficie compatible con el colapso de la monocapa (que conduce a estructuras de policapas), las moléculas de surfactante ejecutan un movimiento aleatorio en la interfaz agua-aire. Se puede pensar que este movimiento es similar al movimiento de las moléculas de gas ideal encerradas en un recipiente. Las variables termodinámicas correspondientes para el sistema tensioactivo son, presión superficial (), área de superficie (A) y número de moléculas de tensioactivo (N). Este sistema se comporta de manera similar a un gas en un contenedor. La densidad de las moléculas de tensioactivo, así como la presión superficial, aumentan al reducir el área superficial A ("compresión" del "gas"). La compresión adicional de las moléculas de tensioactivo en la superficie muestra un comportamiento similar a las transiciones de fase. El "gas" se comprime en "líquido" y finalmente en una matriz empaquetada perfectamente cerrada de las moléculas de tensioactivo en la superficie correspondiente a un estado "sólido". El estado líquido generalmente se separa en los estados líquido expandido y líquido condensado. Todos los estados de las películas de Langmuir se clasifican según el factor de compresibilidad de las películas, definido como -A (d () / dA), generalmente relacionado con la elasticidad en el plano de la monocapa.
Las películas de Langmuir condensadas (en presiones superficiales generalmente superiores a 15 mN / m, típicamente 30 mN / m) se pueden transferir posteriormente a un sustrato sólido para crear recubrimientos de película delgada altamente organizados. Abrevaderos Langmuir – Blodgett
Además de la película LB de los tensioactivos representados en la Figura 1, también se pueden fabricar monocapas similares a partir de nanopartículas inorgánicas. [3]
Características del área de presión
Agregar una monocapa a la superficie reduce la tensión superficial y la presión superficial, viene dada por la siguiente ecuación:
dónde es igual a la tensión superficial del agua yes la tensión superficial debida a la monocapa. Pero la dependencia de la concentración de la tensión superficial (similar a la isoterma de Langmuir ) es la siguiente:
Por lo tanto,
o
La última ecuación indica una relación similar a la ley de los gases ideales . Sin embargo, la dependencia de la concentración de la tensión superficial es válida solo cuando las soluciones están diluidas y las concentraciones son bajas. Por tanto, a concentraciones muy bajas del tensioactivo, las moléculas se comportan como moléculas de gas ideal .
Experimentalmente, la presión superficial se mide generalmente con la placa de Wilhelmy . Una disposición de sensor de presión / electrobalance detecta la presión ejercida por la monocapa. También se controla el área al lado de la barrera en la que reside la monocapa.
Figura 2. Un plato de Wilhelmy
Un simple equilibrio de fuerzas en la placa conduce a la siguiente ecuación para la presión superficial:
sólo cuando . Aquí, y son las dimensiones de la placa, y es la diferencia de fuerzas. Las medidas de la placa de Wilhelmy dan isotermas de área de presión que muestran un comportamiento de transición de fase de las películas LM, como se mencionó anteriormente (ver figura a continuación). En la fase gaseosa, hay un aumento de presión mínimo para una disminución de área. Esto continúa hasta que ocurre la primera transición y hay un aumento proporcional en la presión con el área decreciente. El paso a la región sólida va acompañado de otra transición brusca hacia una presión dependiente del área más severa. Esta tendencia continúa hasta un punto en el que las moléculas están relativamente juntas y tienen muy poco espacio para moverse. La aplicación de una presión creciente en este punto hace que la monocapa se vuelva inestable y destruya la monocapa formando estructuras policapa hacia la fase de aire. La presión de la superficie durante el colapso de la monocapa puede permanecer aproximadamente constante (en un proceso cercano al equilibrio) o puede decaer abruptamente (fuera de equilibrio, cuando la presión de la superficie se incrementó demasiado porque la compresión lateral fue demasiado rápida para los reordenamientos monomoleculares).
Figura 3. (i) Presión superficial - Isotermas de área. (ii) Configuración molecular en las tres regiones marcadas en el -Una curva; (a) fase gaseosa, (b) fase líquida expandida y (c) fase condensada. (Adaptado de Osvaldo N. Oliveira Jr., Revista Brasileña de Física, vol. 22, no. 2, junio de 1992)
Aplicaciones
Durante años se han sugerido muchas aplicaciones posibles para las películas LM y LB. Sus características son películas extremadamente delgadas y alto grado de orden estructural. Estas películas tienen diferentes propiedades ópticas, eléctricas y biológicas que se componen de algunos compuestos orgánicos específicos. Los compuestos orgánicos suelen tener respuestas más positivas que los materiales inorgánicos a factores externos ( presión , temperatura o cambio de gas). Las películas LM se pueden utilizar también como modelos para media membrana celular.
- Las películas LB que constan de nanopartículas se pueden utilizar, por ejemplo, para crear recubrimientos funcionales, superficies de sensores sofisticadas y para recubrir obleas de silicio.
- Las películas LB se pueden usar como capas pasivas en MIS (metal-aislante-semiconductor) que tienen una estructura más abierta que el óxido de silicio y permiten que los gases penetren en la interfaz de manera más efectiva.
- Las películas LB también se pueden utilizar como membranas biológicas . Las moléculas de lípidos con el resto de ácido graso de largas cadenas de carbono unidas a un grupo polar han recibido una atención extensa debido a que son naturalmente adecuadas para el método Langmuir de producción de películas. Este tipo de membrana biológica se puede utilizar para investigar: los modos de acción de los fármacos , la permeabilidad de moléculas biológicamente activas y las reacciones en cadena de los sistemas biológicos.
- Además, es posible proponer dispositivos de efecto de campo para observar la respuesta inmunológica y reacciones enzima-sustrato mediante la recolección de moléculas biológicas como anticuerpos y enzimas en películas aislantes de LB.
- El vidrio antirreflectante se puede producir con sucesivas capas de película orgánica fluorada.
- El biosensor de glucosa puede estar hecho de poli (3-hexil tiopeno) como película de Langmuir-Blodgett, que atrapa el óxido de glucosa y lo transfiere a una placa de vidrio recubierta de óxido de indio , estaño y óxido .
- Las resistencias UV pueden estar hechas de película de poli (N-alquilmetacrilamidas) Langmuir-Blodgett.
- Luz ultravioleta y conductividad de una película de Langmuir-Blodgett.
- Las películas de Langmuir-Blodgett son inherentemente estructuras 2D y se pueden construir capa por capa, sumergiendo sustratos hidrófobos o hidrófilos en una subfase líquida.
- El patrón de Langmuir-Blodgett es un nuevo paradigma para el patrón de área grande con características mesoestructuradas [4] [5]
- Recientemente, se ha demostrado que Langmuir-Blodgett es una técnica eficaz incluso para producir películas ultrafinas de materiales emergentes en capas bidimensionales a gran escala. [6]
Ver también
- Microscopio de ángulo Brewster
- Abrevadero Langmuir – Blodgett
- Liposoma
- Deposición de nanopartículas
- Monocapas autoensambladas
- Plato de Wilhelmy
Referencias
- ^ "Fabricación de películas delgadas de nanopartículas altamente organizadas" (PDF) . Biolin Scientific . Archivado desde el original (PDF) el 2017-08-02 . Consultado el 3 de agosto de 2017 .
- ^ Franklin, Benjamin (7 de noviembre de 1773). De Benjamin Franklin a William Brownrigg (Informe).
Por fin, estando en Clapham, donde hay, en el Common, un gran estanque, que un día observé que estaba muy agitado por el viento, tomé una vinagrera de aceite y dejé caer un poco sobre el agua. Lo vi extenderse con sorprendente rapidez sobre la superficie, pero no se produjo el efecto de suavizar las olas; porque lo había aplicado primero en el lado de sotavento del estanque, donde las olas eran más grandes, y el viento hizo retroceder mi aceite a la orilla. Luego fui al Lado de Barlovento, donde comenzaron a formarse; y allí el aceite, aunque no más de una cucharada de té produjo una calma instantánea, sobre un espacio de varios metros cuadrados, que se extendió asombrosamente y se extendió gradualmente hasta llegar al lado de Lee, haciendo que todo ese cuarto del estanque, tal vez la mitad de un Acre, liso como un espejo.
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