Самоорганизация на межфазных границах, метод Ленгмюра-Блоджетт. Объекты исследования коллоидной химии

Содержание

Слайд 2

План доклада Теоретическая часть, межфазная поверхность, свободная поверхностная энэргия, уравнение Гиббса

План доклада

Теоретическая часть, межфазная поверхность, свободная поверхностная энэргия, уравнение Гиббса
История возникновения

метода
Ориентация молекул на границе раздела вода-воздух
Используемое в методе Ленгмюра оборудование
Низкомолекулярные соединения на границе раздела вода-воздух, жидкие кристаллы
Дополнительные области применения метода Ленгмюра
Слайд 3

Теоретическая часть, межфазная поверхность, свободная поверхностная энэргия, уравнение Гиббса

Теоретическая часть, межфазная поверхность, свободная поверхностная энэргия, уравнение Гиббса

Слайд 4

Объекты исследования коллоидной химии Поверхностные явления Адсорбция на межфазной границе: твердое

Объекты исследования коллоидной химии

Поверхностные явления
Адсорбция на межфазной границе:
твердое тело – газ
твердое тело – жидкость
жидкость – газ
Смачивание

Дисперсные

системы
золи (аэро-, лио-, твердые),
эмульсии (газовые, жидкие, твердые)
суспензии
пены
коллоидные растворы

Адсорбцией названо явление самопроизвольного концентрирования веществ в поверхностном слое многокомпонентной системы.

Пасынский А.Г. Коллоидная химия / А.Г. Пасынский; Под ред. акад. В.А. Каргина // М.: Высшая школа. – 1959 . – 266 с.: ил.
Гельфман М. И. Коллоидная химия / Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П. // 2-е изд., стер . – СПб.: Лань. – 2004 . – 336 с.: ил.

Молекулы вещества на границе раздела фаз (молекулы В) всегда испытывают неодинаковое влияние сил молекулярного взаимодействия, которые внутри каждой фазы (молекулы А) компенсируются.

Слайд 5

Адамсон А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон; Пер. с англ.

Адамсон А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон; Пер. с англ. И.Г. Абидор // М.: Мир. – 1979. –

568 с.: ил.
Холмберг К. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах / К. Холмберг, Б. Йенссон, Б. Кронберг, Б. Линдманн; Пер. с англ. Г.П. Ямпольская // М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. – 2007. – 528 c.: ил.

Типы границ раздела фаз выделяют в соответствии с тремя состояниями вещества (твердое, жидкое, газообразное). Термин «межфазная граница» принято относить к границе между двумя несмешивающимися фазами, термин «поверхность» указывает на то, что одна из фаз газообразная. Таким образом, существует пять различных межфазных границ:
твердое тело – газ (поверхность) твердое тело – жидкость (межфазная граница) твердое тело – твердое тело (межфазная граница) жидкость – газ (поверхность) жидкость – жидкость (межфазная граница)
Необходимым общим условием стабильного существования поверхности раздела между двумя фазами является положительное значение свободной энергии образования поверхности раздела.

Межфазные границы и поверхности

Слайд 6

где G – энергия Гиббса; S – энтропия; Т – температура;

где G – энергия Гиббса; S – энтропия; Т – температура;

V – объем; P – давление;σ – поверхностное натяжение; s – площадь поверхности; μi – химический потенциал компонента i; ni – число молей компонента i; φ – электрический потенциал; q – количество электричества.

Для любой гетерогенной системы справедливо объединенное уравнение первого и второго начал термодинамики, в которое входят основные виды энергии. его можно записать в следующей форме. Приращение энергии Гиббса системы выражено через алгебраическую сумму приращений других видов энергии:

Поверхностные явления

Стрелками указаны пять возможных процессов превращения поверхностной энергии: в энергию Гиббса; в теплоту; в химическую энергию; в механическую энергию;
в электрическую энергию.

Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы / Фролов Ю.Г. // 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия. – 1988. – 464 с: ил.

Слайд 7

Поверхностное натяжение – частная производная от любого термодинамического потенциала (внутренней энергии

Поверхностное натяжение – частная производная от любого термодинамического потенциала (внутренней энергии

U, энтальпии H, энергии Гельмгольца F) по площади межфазной поверхности s при постоянных соответствующих параметрах.
Наиболее часто поверхностное натяжение выражают через производную от энергии Гиббса, т.к. условия р,T=const легко осуществимы экспериментально.

Поверхностное натяжение

Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы / Фролов Ю.Г. // 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия. – 1988. – 464 с: ил.

Термодинамические потенциалы единицы поверхности не изменяются с изменением площади поверхности для индивидуальных веществ (∂Gs/∂s=0). Это значит, что поверхностное натяжение индивидуальных веществ является в то же время удельной энергией Гиббса поверхности.

Слайд 8

Физический смысл поверхностного натяжения Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления

Физический смысл поверхностного натяжения

Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и

дисперсные системы / Фролов Ю.Г. // 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия. – 1988. – 464 с: ил.
Гельфман М. И. Коллоидная химия / Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П. // 2-е изд., стер . – СПб.: Лань. – 2004 . – 336 с.: ил.

Поверхностное натяжение на границе жидкости с газовой фазой равно термодинамически обратимой, изотермической работе, которую надо совершить, чтобы увеличить площадь межфазной поверхности на единицу (работа, расходуемая на обратимый разрыв столбика жидкости с поперечным сечением в 1/2 единицы площади, так как при разрыве образуется новая поверхность, равная единице площади).

Другая трактовка: поверхностные молекулы, стремятся уйти в глубь конденсированной фазы и сжимают поверхность. Поверхностное натяжение можно выразить силой, направленной тангенциально к поверхности и приходящейся на единицу длины ее периметра.

Поверхностное натяжение связано с работой переноса молекул из объема тела на поверхность, расходуемой на разрыв межмолекулярных связей.

Слайд 9

Измерение поверхностного натяжения Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и

Измерение поверхностного натяжения

Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные

системы / Фролов Ю.Г. // 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия. – 1988. – 464 с: ил.
Адамсон А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон; Пер. с англ. И.Г. Абидор // М.: Мир. – 1979. – 568 с.: ил.

Измерение энергии и силы разрыва межмолекулярных связей лежит в основе многих методов определения поверхностного натяжения тел. К группе методов, предназначенных для определения поверхностного натяжения жидкостей, относятся методы взвешивания (отрыва) капель, отрыва кольца, отрыва пластинки Вильгельми.

Все они предполагают разрыв жидкости по определенному сечению. При расчете σ используется соотношение
ΔF = σ ℓ
где ΔF — вес капли, или сила отрыва кольца, пластины от поверхности жидкости; ℓ — периметр поверхности разрыва.

Слайд 10

Адсорбция на поверхности растворов Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления

Адсорбция на поверхности растворов

Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и

дисперсные системы / Фролов Ю.Г. // 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия. – 1988. – 464 с: ил.
Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии / Воюцкий С.С. // 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия. – 1975. – 512 с: ил.

Адсорбцией названо явление самопроизвольного концентрирования веществ в поверхностном слое многокомпонентной системы.

Для интерпретаций явлений адсорбции на границе раствор — газ весьма существенно установить связь между избытком адсорбированного вещества в поверхностном слое Г, концентрацией адсорбированного вещества в растворе с и поверхностным натяжением σ на границе раствор — газ.
В разбавленном растворе при изменении концентрации растворенного вещества практически не изменяется концентрация растворителя, уравнение Гиббса для разбавленных растворов:

Слайд 11

Экспериментальные исследования влияния различных веществ на поверхностное натяжение растворов показали, что

Экспериментальные исследования влияния различных веществ на поверхностное натяжение растворов показали, что

в зависимости от природы растворенного вещества и растворителя возможно как падение (1), так и повышение (2) поверхностного натяжения с ростом концентрации растворов.
Влияние природы вещества на адсорбцию отражает производная поверхностного натяжения по концентрации dσ/dc, определяющая знак гиббсовской адсорбции.

Вещества, введение которых в систему приводит к понижению поверхностного натяжения (dσ/dc<0), называют поверхностно-активными веществами (ПАВ). Если dσ/dc>0, то вещества поверхностно- инактивные.
В качестве меры поверхностной активности используется величина G, равная предельному значению производной при с→0, чтобы исключить влияние концентрации и придать этой величине вид характеристической постоянной

Поверхностно-активные и поверхностно- инактивные вещества

Щукин Е.Д. Коллоидная химия / Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина // 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк. – 2004. – 445 с.: ил.

Слайд 12

История возникновения метода

История возникновения метода

Слайд 13

История изучения поверхностных пленок Древняя Греция 50г. до н.э. – 120г.

История изучения поверхностных пленок

Древняя Греция
50г. до н.э. – 120г. н.э.

Плутарх

Успокаивающее действие

масла на бурное море

Плиний Старший

1774г.

Бенджамин Франклин

Одной чайной ложки масла достаточно, чтобы успокоить пруд площадью ~0,2 га.

Установил, что хаотическое движение кусочков камфоры на поверхности воды прекращается, если на поверхность воды нанести олеиновую кислоту в количестве, достаточном для образования пленки толщиной около 16Å. Исходя из этого:
оценил максимальный размер молекулы олеиновой кислоты и ее молекулярный вес;
установил порядок величины числа Авогадро.

1890г.

Лорд Рэлей

1889г.

Агнес Луиза Поккельс

Обнаружила возможность регулирования площади пленки с помощью подвижного барьера. Показала, что поверхностное натяжение пленки изменяется до тех пор, пока удельная поверхность пленки не уменьшится до ~20Å2/молекула (точка Поккельс - молекулы пленки касаются друг друга)

Адамсон А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон; Пер. с англ. И.Г. Абидор //
М.: Мир. – 1979. – 568 с.: ил.

Слайд 14

Слайд 15

Слайд 16

Слайд 17

История изучения поверхностных пленок 1917г. Пленочные весы Ленгмюра Ирвинг Ленгмюр разработал

История изучения поверхностных пленок

1917г.

Пленочные весы Ленгмюра

Ирвинг Ленгмюр разработал новый экспериментальный метод

изучения мономолекулярных пленок.
В предложенном им приборе с одной стороны пленки находится неподвижный барьер, а с другой стороны — плавающий барьер, соединенный с весами. Таким образом можно определять силу, действующую на этот барьер и найти давление в пленке. Барьеры изготавливаются из бумаги, покрытой парафином, защищающим ее от смачивания водой. Ленгмюр показал, что для пальмитиновой, стеариновой и церотиновой кислот предельная площадь в точке Поккельс одинакова, изменение длины углеводородной цепи от 16 до 26 атомов не влияет на предельную площадь, следовательно, молекулы ориентированы вертикально.

Адамсон А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон;
Пер. с англ. И.Г. Абидор // М.: Мир. – 1979. – 568 с.: ил.

Слайд 18

Ориентация амфифильных молекул на границе раздела вода-воздух

Ориентация амфифильных молекул на границе раздела вода-воздух

Слайд 19

Термин «амфифил» часто используется как синоним поверхностно-активного вещества (ПАВ). Этот термин

Термин «амфифил» часто используется как синоним поверхностно-активного вещества (ПАВ). Этот термин

происходит от греческого слова amphi, означающего «оба». Его использование связано с тем, что молекулы всех ПАВ состоят по крайней мере из двух частей, одна из которых растворима в жидкости (лиофильная часть), а вторая — нерастворима (лиофобная часть). Если жидкость — вода, говорят о гидрофильных и гидрофобных частях молекулы соответственно. Гидрофильную часть обычно называют полярной группой или «головкой», а гидрофобную часть — радикалом или «хвостом».

Холмберг К. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах / К. Холмберг, Б. Йенссон, Б. Кронберг, Б. Линдманн; Пер. с англ. Г.П. Ямпольская // М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. – 2007. – 528 c.: ил.

Амфифильные свойства молекул

Слайд 20

Адамсон А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон; Пер. с англ.

Адамсон А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон; Пер. с англ. И.Г. Абидор // М.: Мир. – 1979. –

568 с.: ил.

Ориентация молекул в поверхностном слое

По принципу независимого поверхностного действия (принцип Ленгмюра), поверхностная свободная энергия молекулы аддитивно складывается из локальной свободной поверхностной энергии ее частей.
Рассмотрим применение этого принципа для выяснения возможной ориентации молекул этанола на поверхности. В первом случае поверхность покрыта гидроксильными группами, поверхностная энергия которых, найденная экстраполяцией данных для воды, должна составлять примерно 190эрг/см-1. Во втором случае поверхностная энергия должна быть примерно равна поверхностной энергии углеводородов, т.е. порядка 50эрг/см-1. Основная ориентации молекулы спирта должна соответствовать более энергетически выгодному расположению. Этот вывод подтверждается тем, что фактическое поверхностное натяжение этанола равно 22эрг/см-1 и не очень отличается от поверхностного натяжения углеводородов.

Слайд 21

Используемое в методе Ленгмюра оборудование

Используемое в методе Ленгмюра оборудование

Слайд 22

Для нерастворимых и нелетучих ПАВ можно непосредственно задать адсорбцию, помещая известное

Для нерастворимых и нелетучих ПАВ можно непосредственно задать адсорбцию, помещая известное

количество вещества на известную площадь. Если кювету ПЛАВМ разделить резиновой мембраной на два отделения и одно из них заполнить растворителем, а другое — раствором, то на поплавок, прикрепленный к верхнему концу мембраны, будет действовать некоторая вполне измеримая сила. Тонкая резиновая гофрированная мембрана, практически не оказывающая сопротивления при смещении, легко выгибается и полностью выравнивает гидростатическое давление между двумя отделениями. Таким образом, сила, действующая на поплавок, обусловлена исключительно поверхностным натяжением растворов и появляется в результате того, что смещение поплавка в направлении поверхности с более высоким поверхностным натяжением приводит к понижению общей свободной поверхностной энергии системы.

кювета ПЛАВМ (Поккельс — Лэнгмюр — Адам — Вильсон — Мак-Бэн).

Адамсон А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон; Пер. с англ. И.Г. Абидор // М.: Мир. – 1979. – 568 с.: ил.

Определение поверхностного давления

Слайд 23

Адамсон А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон; Пер. с англ.

Адамсон А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон; Пер. с англ. И.Г. Абидор // М.: Мир. – 1979. –

568 с.: ил.

Модельные концепции
поверхностного давления

Хотя поверхностное давление возникает как разность двух поверхностных натяжений чистого растворителя σ0 и растворителя с нанесенной пленкой σ,
π= σ0–σ
но физически оно проявляется как сила, действующая на единицу длины барьера, разделяющего две поверхности.
Существует две концепции поверхностного давления.
Согласно первой из них, молекулы адсорбционной пленки обладают двумерной поступательной энергией, и давление в пленке рассматривается как результат бомбардировки барьера молекулами (как давление газа).
Согласно другой концепции, барьер рассматривается как полупроницаемая мембрана, через которую может проходить вода, но не проходят молекулы пленки. Тогда поверхностный слой может рассматриваться как относительно концентрированный раствор с осмотическим давлением, приложенным к мембране.
Эти концепции применимы только к монослоям нерастворимых веществ.

Слайд 24

Адамсон А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон; Пер. с англ.

Адамсон А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон; Пер. с англ. И.Г. Абидор // М.: Мир. – 1979. –

568 с.: ил.

Методы измерения поверхностного давления

Метод Ленгмюра
Поверхностное давление имеет размерность мН/м и может быть измерено непосредственно по методу Ленгмюра (по изменению положения подвижного барьера), который позволяет изучать зависимость поверхностного натяжения от величины адсорбции молекул нерастворимого ПАВ.

Метод Вильгельми
Лучше всего применять методику с частично погруженной пластинкой с периметром смачивания p и определять изменение веса Δω при постоянном положении пластинки по формуле π = Δω p.
Пластинки изготовляют из тонкого стекла, платины или фильтровальной бумаги.
Этот метод имеет два недостатка:
любой температурный дрейф или случайные примеси приводят к изменениям поверхностного давления;
ПАВ может адсорбироваться на пластинке и изменить краевой угол смачивания

Слайд 25

ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ДАВЛЕНИЯ Схема пленочных весов Ленгмюра Весы Ленгмюра NIMA Model

ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ДАВЛЕНИЯ

Схема пленочных весов Ленгмюра

Весы Ленгмюра NIMA Model 612D,
Model 712ВАМ

Субфаза:

вода, очищенная и деминерализованная на Аквилон-Д (Россия)

Пластинки Вильгельми из фильтровальной бумаги

Раствор исследуемого вещества наносится между подвижными барьерами, растворитель испаряется, монослой вещества сжимается с постоянной скоростью

Слайд 26

“газ” “жидкость” 2D-кристалл π-A изотерма стеариновой кислоты CH3(CH2)16COOH

“газ”

“жидкость”

2D-кристалл

π-A изотерма стеариновой кислоты CH3(CH2)16COOH

Слайд 27

π-A изотерма стеариновой кислоты CH3(CH2)16COOH “газ” “жидкость” 2D-кристалл коллапс монослоя неупорядоченное трехмерное состояние

π-A изотерма стеариновой кислоты CH3(CH2)16COOH

“газ”

“жидкость”

2D-кристалл

коллапс монослоя

неупорядоченное
трехмерное состояние

Слайд 28

π-A изотерма стеариновой кислоты CH3(CH2)16COOH “газ” “жидкость” 2D-кристалл коллапс монослоя неупорядоченное трехмерное состояние

π-A изотерма стеариновой кислоты CH3(CH2)16COOH

“газ”

“жидкость”

2D-кристалл

коллапс монослоя

неупорядоченное
трехмерное состояние

Слайд 29

ТИПЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛЕНОК Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии: Учеб. для вузов

ТИПЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛЕНОК

Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии: Учеб. для вузов // 2-е изд. перераб.

и доп. – Л.: Химия. – 1984. – 368 с.: ил..

По характеру участков изотермы можно выделить:
газообразное (a);
газообразно-растянутое (b), фазовый переход между газообразным и жидким состояниями;
жидко-растянутое (c);
жидко-конденсированное (d), фазовый переход между жидким и конденсированным состояниями;
конденсированное (e);
разрушение (коллапс) пленки (f), переход в 3D фазу (капли для жидкой пленки, многослойные образования для твердой).

Слайд 30

Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии: Учеб. для вузов // 2-е изд.

Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии: Учеб. для вузов // 2-е изд. перераб. и доп. – Л.: Химия. – 1984. – 368 с.: ил..

Образование

мономолекулярного слоя

При aдcopбции пoляpнaя группа, обладающая большим сродством к полярной фазе (воде), втягивается в воду, в то время, как неполярный радикал выталкивается в неполярную фазу (воздух). Происходящее при этом уменьшение свободной поверхностной энергии ограничивает размеры поверхностного слоя толщиной в одну молекулу. Образуется так называемый мономолекулярный слой. При малых концентрациях в области, далекой от насыщения, углеводородные цепи, вытолкнутые в воздух, «плавают» на поверхности возы, тогда как полярная группа погружена в воду (а); такое положение возможно из-за гибкости углеводородной цепи. С ростом концентрации число молекул в поверхностном слое увеличивается, цепи поднимаются и в пределе приобретают вертикальное положение (б). В насыщенном адсорбционном слое поверхность воды оказывается сплошь покрытой углеводородными цепями.

Слайд 31

Важность подбора растворителя

Важность подбора растворителя

Слайд 32

M.Ujihara, T.Imae // Polym. Int. 2010. V.59. P.137-144 M.J.Felipe et al.

M.Ujihara, T.Imae // Polym. Int.
2010. V.59. P.137-144

M.J.Felipe et al. // Langmuir.
2011.

V.27. P.9327-9336

D.C.Tully, J.M.J.Fréchet // Chem. Commun. 2001.
P.1229-1239

V.V.Tsukruk // Adv. Mater.
1998. V.10. P.253-257

D.C.Tully, J.M.J.Fréchet // Chem. Commun. 2001.
P.1229-1239

B.Delavaux-Nicot , A.M.Caminade //
2011. J.Wiley Ltd.

Ориентация амфифильных макромолекул сложной архитектуры на поверхности воды

Слайд 33

B. Delavaux-Nicot Self-Assembly of Dendrimers in Layers / B. Delavaux-Nicot, A.-M.

B. Delavaux-Nicot Self-Assembly of Dendrimers in Layers / B. Delavaux-Nicot,
A.-M.

Caminade // In Dendrimers: Towards Catalytic, Materialand Biomedical Uses, First Edition. A.-M. Caminade, C.-O. Turrin, R. Laurent, A. Ouali, B. Delavaux-Nicot. – John Wiley & Sons, Ltd. – 2011.

ПОВЕДЕНИЕ АМФИФИЛЬНЫХ ДЕНДРИМЕРОВ ПРИ СЖАТИИ И ИХ ИЗОТЕРМА ПОВЕРХНОСТНОГО ДАВЛЕНИЯ

Слайд 34

Kita-Tokarczyk K. Amphiphilic Polymers at Interfaces / K. Kita-Tokarczyk, M. Junginger,

Kita-Tokarczyk K. Amphiphilic Polymers at Interfaces / K. Kita-Tokarczyk, M. Junginger,

S. Belegrinou, A. Taubert // Adv Polym Sci. – 2011. – V. 242 . – P. 151-201

Изотерма поверхностного давления и ориентация амфифильных блоксополимеров на поверхности воды

Слайд 35

Адамсон А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон; Пер. с англ.

Адамсон А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон; Пер. с англ. И.Г. Абидор // М.: Мир. – 1979. –

568 с.: ил.

Вибрирующим электродом
В случае (б) колебания генерируются и механически передаются на небольшой диск, установленный параллельно поверхности приблизительно на 0,5 мм над ней. Колебания диска приводят к соответствующим колебаниям емкости воздушного зазора, в результате чего на второй цепи возникает переменный ток, амплитуда которого зависит от разности потенциалов в зазоре. По точности до 0,1 мВ данный метод лучше метода Po-электрода, но более чувствителен к помехам.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ПОТЕНЦИАЛА

Ионизирующим излучением
В случае (а) используется покрытый α-излучателем Po (около 1 мКи) металлический зонд, в результате ионизации под действием излучения воздух в зазоре между зондом и поверхностью жидкости становится достаточно проводящим, что позволяет непосредственно определить разность потенциалов между зондом и поверхностью.

Слайд 36

ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ПОТЕНЦИАЛА ПО МЕТОДУ ВИБРИРУЮЩЕГО ЭЛЕКТРОДА Сенсор измеряет разность потенциалов

ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ПОТЕНЦИАЛА ПО МЕТОДУ ВИБРИРУЮЩЕГО ЭЛЕКТРОДА

Сенсор измеряет разность потенциалов над и

под пленкой и чувствителен к суммарному и индивидуальным дипольным моментам.
Позволяет оценить:
эффективный дипольный момент;
ориентацию молекул;
электронную структуру пленки;
изменение молекулярной структуры.

KSV NIMA. Surface Potential Sensor [сайт]. URL: http:// www.ksvnima.com/ surface-potential-sensor.

Слайд 37

Taylor D.M. Developments in the theoretical modelling and experimental measurement of

Taylor D.M. Developments in the theoretical modelling and experimental measurement of

the surface potential of condensed monolayers / D.M. Taylor // Adv. Coll. Interface Sci. – 2000. – V. 87. – P. 183-203.

МОДЕЛИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ АНАЛИЗЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Образование двойного слоя Гуи-Чепмена на границе раздела фаз вода-воздух при ионизации полярных групп ПАВ.

Слайд 38

Модель двухслойного конденсатора Вогеля-Мёбиуса для монослоя на границе раздела фаз вода-воздух

Модель двухслойного конденсатора Вогеля-Мёбиуса для монослоя на границе раздела фаз вода-воздух

μω – момент гидрофобных хвостов, μα – момент полярных групп.

Модели поверхностного слоя при анализе электрических свойств

Taylor D.M. Developments in the theoretical modelling and experimental measurement of the surface potential of condensed monolayers / D.M. Taylor // Adv. Coll. Interface Sci. – 2000. – V. 87. – P. 183-203.

Слайд 39

Модели поверхностного слоя при анализе электрических свойств Taylor D.M. Developments in

Модели поверхностного слоя при анализе электрических свойств

Taylor D.M. Developments in the

theoretical modelling and experimental measurement of the surface potential of condensed monolayers / D.M. Taylor // Adv. Coll. Interface Sci. – 2000. – V. 87. – P. 183-203.

Модель трехслойного конденсатора Демчака-Форта для монослоя на границе раздела фаз вода-воздух В данной модели μ3 – момент гидрофобных хвостов, а к моменту полярных групп μ2 добавлен момент прилегающего к ним гидратного слоя субфазы μ1.

Слайд 40

Визуализация морфологии пленок непосредственно на поверхности воды при помощи брюстеровского микроскопа

Визуализация морфологии пленок непосредственно на поверхности воды при помощи брюстеровского микроскопа

Слайд 41

Закон Брюстера Коэффициенты отражения, полученные из формул Френеля, для s‑поляризации и

Закон Брюстера

Коэффициенты отражения, полученные из формул Френеля, для s‑поляризации и p‑поляризации

различаются:
где θi – угол падения, θt – угол преломления. На рисунке б представлены графики зависимости коэффициентов отражения Rs и Rp от угла падения.

Закон Брюстера – закон оптики, выражающий связь показателя преломления с углом, при котором свет, отраженный от границы раздела, полностью поляризуется в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, а преломленный луч частично поляризуется в плоскости падения (рисунок а)

Слайд 42

Принцип микроскопии под углом Брюстера Принцип микроскопии под углом Брюстера заключается

Принцип микроскопии под углом Брюстера

Принцип микроскопии под углом Брюстера заключается в

том, что отраженный от поверхности луч, полностью поляризованный в плоскости, перпендикулярной плоскости падения, и преломленный луч взаимно ортогональны. Если электрическое поле р‑поляризованного луча лазера осциллирует в плоскости падения, а s‑поляризованного – перпендикулярно плоскости падения, то минимум интенсивности отраженного р‑поляризованного света, Rp=0, наблюдается при при падении под углом Брюстера. Если на поверхность чистой воды нанести монослой с иным, чем у воды показателем преломления, появится отраженная волна.
Слайд 43

Микроскопия под углом Брюстера

Микроскопия под углом Брюстера

Слайд 44

Микроскопы под углом Брюстера: традиционный и мини Микроскоп Брюстера KSV Optrel

Микроскопы под углом Брюстера: традиционный и мини

Микроскоп Брюстера KSV Optrel BAM300

[3] производства фирмы KSV NIMA, Финляндия 1 – лазер, 2 – поляризатор, 3 – анализатор, 4 – камера, 5 – рама-трипод, 6 – система Ленгмюра для формирования и изучения характеристик моно- и полимолекулярных слоев и пленок

KSV NIMA. [сайт]. URL: http:// www.ksvnima.com

Слайд 45

C.E. Farmer Surface characterization of siloxane, silsesquioxane, and maleic anhydride containing

C.E. Farmer Surface characterization of siloxane, silsesquioxane, and maleic anhydride containing

polymers at air-liquid Interfaces // Thesis for the degree of Master of Science in Chemistry

Микроскопы под углом Брюстера: традиционный и мини

Слайд 46

СИСТЕМА ЛЕНГМЮРА С ДАТЧИКОМ ПОВЕРХНОСТНОГО ПОТЕНЦИАЛА И БРЮСТЕРОВСКИМ МИКРОСКОПОМ KSV, Finland

СИСТЕМА ЛЕНГМЮРА С ДАТЧИКОМ ПОВЕРХНОСТНОГО ПОТЕНЦИАЛА И БРЮСТЕРОВСКИМ МИКРОСКОПОМ

KSV, Finland

Extended Trough

728х75х7
Коэффициент сжатия 9,49
Периметр смачивания пластины Вильгельми 39,34мм

Субфаза: вода, очищенная и деминерализованная на Milli-Q System (Millipore, USA)
с удельным сопротивлением 18.2 МОм см

Датчик
поверхностного
давления

Датчик
поверхностного
потенциала

Ванна Ленгмюра

Микроскоп Брюстера

Слайд 47

Первое плато Второе плато сжатие растяжение Плато Микрофотографии 200х200мкм2 Т=20°С 1

Первое плато

Второе плато

сжатие

растяжение

Плато

Микрофотографии 200х200мкм2

Т=20°С

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Дендример шестой генерации
с одним этиленоксидным звеном в

каждой ветви оболочки
Слайд 48

Метод Ленгмюра-Блоджетт: одно- и многостадийный перенос моно- или полислоевой пленки, сформированной

Метод Ленгмюра-Блоджетт: одно- и многостадийный перенос моно- или полислоевой пленки, сформированной

на поверхности жидкости, на твердую подложку
Слайд 49

ПЕРЕНОС ПЛЕНОК С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ Перенос монослоя на твердую подложку: методом

ПЕРЕНОС ПЛЕНОК С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ

Перенос монослоя на твердую подложку: методом Ленгмюра-Блоджетт

(ЛБ) (а), методом Ленгмюра-Шефера (ЛШ) (б), гидрофобный (в), гидрофильный (г).

Блинов Л.М. Лэнгмюровские пленки // Усп. Физ. Наук. – 1988. – Т. 155. – №3. – С. 443-480.
Ковальчук М.В. Молекулярный конструктор Ленгмюра-Блоджетт / М.В. Ковальчук, В.В. Клечковская, Л.А. Фейгин // Природа. – 2003. – Т. 12. – С. 1-12.

Слайд 50

МНОГОСТАДИЙНЫЙ ПЕРЕНОС ЛБ-ПЛЕНОК B. Delavaux-Nicot Self-Assembly of Dendrimers in Layers /

МНОГОСТАДИЙНЫЙ ПЕРЕНОС ЛБ-ПЛЕНОК

B. Delavaux-Nicot Self-Assembly of Dendrimers in Layers / B.

Delavaux-Nicot, A.-M. Caminade // In Dendrimers: Towards Catalytic, Materialand Biomedical Uses, First Edition. A.-M. Caminade, C.-O. Turrin, R. Laurent, A. Ouali, B. Delavaux-Nicot. – John Wiley & Sons, Ltd. – 2011.
Слайд 51

B. Delavaux-Nicot Self-Assembly of Dendrimers in Layers/ B. Delavaux-Nicot, A.-M. Caminade

B. Delavaux-Nicot Self-Assembly of Dendrimers in Layers/ B. Delavaux-Nicot, A.-M. Caminade

// In Dendrimers: Towards Catalytic, Materialand Biomedical Uses, First Edition. A.-M. Caminade, C.-O. Turrin, R. Laurent, A. Ouali, B. Delavaux-Nicot. – John Wiley & Sons, Ltd. – 2011.
Блинов Л.М. Лэнгмюровские пленки // Усп. Физ. Наук. – 1988. – Т. 155. – №3. – С. 443-480.
Ковальчук М.В. Молекулярный конструктор Ленгмюра-Блоджетт / М.В. Ковальчук, В.В. Клечковская, Л.А. Фейгин // Природа. – 2003. – Т. 12. – С. 1-12.

ТИПЫ СЛОЕВЫХ СТРУКТУР

Х-тип (а), Y-тип (б), Z-тип (в)

Слайд 52

ПАРАМЕТРЫ КАЧЕСТВА ЛБ-ПЛЕНОК Дипломная работа студентки 6 курса Савон И.Е. Исследование

ПАРАМЕТРЫ КАЧЕСТВА ЛБ-ПЛЕНОК

Дипломная работа студентки 6 курса Савон И.Е. Исследование свойств

ленгмюровских пленок и их получение, 2010
Слайд 53

КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕНОСА Для количественной оценки степени переноса монослоя по технологии ЛБ

КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕНОСА

Для количественной оценки степени переноса монослоя по технологии ЛБ рассчитывают

коэффициент переноса К из соотношения убыли площади монослоя на водной субфазе ΔSh к площади поверхности части подложки ΔSp, на которую осуществили перенос монослоя.
Слайд 54

Низкомолекулярные соединения на границе раздела вода-воздух, жидкие кристаллы

Низкомолекулярные соединения на границе раздела вода-воздух, жидкие кристаллы

Слайд 55

Адамсон А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон; Пер. с англ.

Адамсон А. Физическая химия поверхностей / А. Адамсон; Пер. с англ. И.Г. Абидор // М.: Мир. – 1979. –

568 с.: ил.
Адам Н.К. Физика и химия поверхностей / Н.К. Адам; Пер. с англ. Д.М. Толстой // Л.: ОГИЗ. – 1947. – 552 с.: ил.

Пленки нерастворимых веществ на поверхности жидкости

Практически нерастворимое и нелетучее вещество, помещённое в небольшом количестве на поверхность жидкости с большим поверхностным натяжением (например, вода), может вести себя двояко: либо оставаться в виде компактной капли, оставляя свободную поверхность жидкости чистой, либо растекаться по поверхности.
Если вещество растекается по поверхности в слой достаточно малой толщины, что гравитационными эффектами в нем можно пренебречь, то это пленка или 2D пленка. Мономолекулярная пленка, или монослой — это пленка, толщина которой соответствует размеру всего одной молекулы.
На реальных поверхностях возможны комбинации пленок различной толщины и линз; так, вещество, помещенное на поверхность воды, может расширяться с образованием монослоя, а остающийся избыток может собираться в линзу.

Слайд 56

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ Жидкие кристаллы и ЖК-полимеры Лекция Алексея Бобровского http://polit.ru/article/2010/12/10/bobrovsky/ При

ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ

Жидкие кристаллы и ЖК-полимеры
Лекция Алексея Бобровского
http://polit.ru/article/2010/12/10/bobrovsky/

При нагревании кристаллическая решетка разрушается

и молекулы разупорядочиваются

1888 году Фридрих Рейницер исследовал холестерилбензоат и обнаружил, что при нагревании до 145° кристаллическая фаза переходит в странную мутную жидкость, а при дальнейшем нагревании до 179° наблюдается переход в прозрачную жидкость.

Слайд 57

ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ Жидкие кристаллы и ЖК-полимеры Лекция Алексея Бобровского http://polit.ru/article/2010/12/10/bobrovsky/ Один

ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ

Жидкие кристаллы и ЖК-полимеры
Лекция Алексея Бобровского
http://polit.ru/article/2010/12/10/bobrovsky/

Один из подходов – прикрепление

стержнеобразных молекул к линейной макромолекуле, но выяснилось, что такие полимеры не образуют жидкокристаллической фазы. Тогда был предложен подход присоединения таких палочкообразных молекул к основной полимерной цепи через гибкие развязки.
Слайд 58

Самоорганизация конусообразных и секторообразных молекул в мезофазы Принципы самоорганизации и самосборки

Самоорганизация конусообразных и секторообразных молекул в мезофазы

Принципы самоорганизации и самосборки при

создании биоподобных систем на основе термотропных жидких кристаллов

Рисунки частично заимствованы в лит. источниках

Самосборка вируса табачной мозаики

Схема молекулы бензолсульфоната

Влияние формы амфифильных молекул на самосборку в надмолекулярные агрегаты

периферийная часть

мезогенный фрагмент

фокальная группа

Слайд 59

Разработка ион-селективных мембран на основе секторообразных жидких кристаллов (Henmi, Advanced Materials 2012 V.24, P 2238–2241)

Разработка ион-селективных мембран на основе секторообразных жидких кристаллов

(Henmi, Advanced Materials 2012

V.24, P 2238–2241)
Слайд 60

Возможность контроля проводящего и непроводящего состояний ион-проводящих мембран на основе секторообразных

Возможность контроля проводящего и непроводящего состояний ион-проводящих мембран на основе секторообразных

жидких кристаллов

(Soberats J. Am. Chem. Soc.2015 P 1-5)

Слайд 61

Полимерные пленки на основе секторообразных жидких кристаллов (Bakirov et. al., Nanotechnologies in Russia, 2010, V.5, P.767)

Полимерные пленки на основе секторообразных жидких кристаллов

(Bakirov et. al., Nanotechnologies

in Russia, 2010, V.5, P.767)
Слайд 62

Форма монодендрона и критический параметр упаковки Изображение молекулярных моделей производных бензолсульфоновой

Форма монодендрона и критический параметр упаковки

Изображение молекулярных моделей производных бензолсульфоновой кислоты

с различными противоионами (сверху) и с различной длиной алкильных окончаний (снизу)

Схематическое изображение возможных модификаций в солях бензолсульфоновой кислоты

S

Lc

Слайд 63

Tiso Исследование фазового поведения BSAMe16 методами дифференциальной сканирующей калориметрией и поляризационой оптической микроскопии

Tiso

Исследование фазового поведения BSAMe16 методами
дифференциальной сканирующей калориметрией и поляризационой оптической микроскопии


Слайд 64

Исследование надомолекулярной структуры BSAMe16 методом рентгеновского рассеяния в малых и больших

Исследование надомолекулярной структуры BSAMe16
методом рентгеновского рассеяния в малых и больших

углах

Дифрактограмма рентгеновского рассеяния в малых и больших углах для BSAMe16

Схематическое изображение упаковки молекул в колончатой мезофазе

Схематическое изображение упаковки молекул в смектической мезофазе

D=6.09нм

d=5.4нм

Слайд 65

Изотерма поверхностного давления BSAMe12 и BSAEt12 Микрофотография под уголом Брюстера 100мкм

Изотерма поверхностного давления BSAMe12 и BSAEt12

Микрофотография под уголом Брюстера
100мкм на 100мкм

Схематическое

изображение процесса сжатия слоя молекул на системе Ленгмюра

Поведение додецилокси производных бензолсульфоновой кислоты
на границе раздела вода-воздух

Система Ленгмюра для формирования и изучения поверхностных пленок

Слайд 66

Поведение тетраметиламмониевых солей 3,4,5-трис(окта)- и (гексадецилокси)бензосульфоновой кислоты на границе раздела вода-воздух

Поведение тетраметиламмониевых солей 3,4,5-трис(окта)-
и (гексадецилокси)бензосульфоновой кислоты
на границе раздела вода-воздух

и создание ЛБ-пленок на их основе

Схематическое изображение переноса амфифильных молекул на гидрофильную подложку

BSAMe16

BSAEt16

BSAMe18

BSAEt18

Слайд 67

Топографии поверхности монослоев полученных методом АСМ на слюде BSAEt18 BSAEt16 BSABu18

Топографии поверхности монослоев полученных методом АСМ на слюде

BSAEt18

BSAEt16

BSABu18

BSAMe18

BSAMe16

Cтепень заполнения более 80%,

толщина около 1 нм, возможно обусловлено наклонным положением алкильных окончаний к поверхности подложки

BSAEt18

Слайд 68

МЕТОД ЛЕНГМЮРА-БЛОДЖЕТТ И АТОМНО-СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ Атомно-силовой микроскоп Solver P47–PRO Схема оптической

МЕТОД ЛЕНГМЮРА-БЛОДЖЕТТ И АТОМНО-СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ

Атомно-силовой
микроскоп
Solver P47–PRO

Схема оптической регистрации изгиба консоли зондового

датчика АСМ

Вещество переносится при погружении/подъеме подложки

Атомно-силовая микроскопия позволяет получить топографию поверхности

Отношение площади монослоя на воде ΔSh к площади подложки ΔSp, на которую переносят монослой

Слайд 69

Дополнительные области применения метода Ленгмюра

Дополнительные области применения метода Ленгмюра

Слайд 70

Слайд 71

Изготовление проводящих пленок на основе полианилина методом Ленгмюра-Шеффера

Изготовление проводящих пленок на основе полианилина методом Ленгмюра-Шеффера

Слайд 72

Слайд 73

Слайд 74