百欧林 Jan 13, ’39 < 20201113

什么是Langmuir膜

 

lb膜

Langmuir膜是漂浮在液-气界面或者液-液界面上的原子、分子甚至纳米颗粒构成的不溶性单层。液体表面不溶性分子的自组装力可以促使单层薄膜的形成。

许多材料都可以形成Langmuir

当分子具有疏水和亲水基团时,它们可以在整个薄膜上以可预测的方式在水面上定向排列,从而为进一步控制沉积分子膜的结构提供了惊人的可能性。 分子材料的混合物可以结合在一个单层中创建出全新的特性。这些性质可以通过控制分子堆积密度来调节,从而控制相邻分子相互作用的程度。

许多分子材料非常适合在气-液界面处形成不溶层。 这些物质包括脂质、纳米颗粒、聚合物、蛋白质和许多其他生物分子。 现代化学工程使合成几乎所有类型的具有疏水基团的功能分子成为可能,这些疏水基团使它们不溶于水从而适合于形成单分子层。 最近的研究表明,碳纳米管、纳米线或石墨烯等新型化合物都可以形成Langmuir膜。

在挥发性和水不溶性溶剂的帮助下,许多这些不溶于水的两亲性物质都可以容易地散布在水中,从而可以在空气/水界面处形成不溶性单层薄膜。 当考虑到对界面的吸附,这些单层或Langmuir(L)膜代表了最极端的情况,因为所有分子都集中在单分子薄层中。 分子的两亲性决定了界面(空气/水或油/水)的方向,使得极性头基团浸入水中,而长烃链指向空气、气体或油。 Langmuir膜的名称源于这些薄膜的先驱者的姓名Irving Langmuir。

用于单层研究的物质上的烃链必须足够长才能形成不溶性单层。

一条经验法则是,链中应该有12个以上的烃或基团((CH2)n,n> 12)。 如果链较短,尽管仍不溶于水,但水表面上的两亲体往往形成胶束。 这些胶束是水溶性的,可阻止在界面上形成单层。 另一方面,如果链的长度太长,则两亲性物质倾向于在水表面上结晶,因此不形成单层。 很难确定烃链的最佳长度,因为其成膜能力还取决于两亲性物质的极性部分。 此外,两亲性物质必须可溶于不溶于水的高挥发性有机溶剂(通常使用氯仿或己烷)。

控制Langmuir膜的堆积密度

分子在Langmuir膜界面处的自由运动为控制堆积密度和研究单层行为提供了极大的灵活性。 一旦被压缩,单层膜可以被认为是二维固体膜,其表面积体积比远高于散装材料。 在这些条件下,材料通常会产生令人着迷的新特性。 Langmuir槽可让您推断特定分子在二维空间内如何堆积在一起(使用一组滑障来压缩界面处的单分子层)。 表面压力-面积等温线还可以提供每个分子的平均面积和单层可压缩性的测量。

Langmuir膜等温线测量

Langmuir膜等温线测量

在典型的等温线测量中,单层在压缩下重组,从二维气相(G)开始到液相(L)再到完全致密的固相(S)。 在气相时,分子之间没有相互作用。 当表面积减小时,分子变得更紧密地堆积并且开始彼此相互作用。 在固相中,分子完全组装起来并且表面压力急剧增加。 在最大表面压力时,达到崩溃点,此后单层压缩不再受到控制。 在一定条件下,Langmuir膜可以转移到固体表面上,以供进一步研究或简单涂覆。

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