Một bộ phim Langmuir-Blodgett chứa một hoặc nhiều đơn lớp của một vật liệu hữu cơ, lắng đọng từ bề mặt của chất lỏng lên một chất rắn bằng cách đun sôi (hoặc bắt chước) chất nền rắn vào (hoặc từ) chất lỏng. Một lớp đơn được hấp phụ đồng nhất với mỗi bước nhúng hoặc nhún, do đó các màng có độ dầy rất chính xác có thể được hình thành. Độ dày này chính xác bởi vì độ dầy của mỗi lớp đơn được biết đến và do đó có thể được thêm vào để tìm tổng chiều dày của một bộ phim Langmuir-Blodgett.
Các đơn nguyên đơn được lắp ráp theo chiều dọc và thường bao gồm các phân tử amphiphilic (xem phân cực hóa học) với đầu ưa nước và đuôi k hydro nước (ví dụ: axit béo) hoặc ngày nay thường là các hạt nano .
Phim Langmuir-Blodgett được đặt tên theo Irving Langmuir và Katharine B. Blodgett, người đã phát minh ra kỹ thuật này trong khi làm việc trong Nghiên cứu và Phát triển cho General Electric Co.
Bối cảnh lịch sử
Những bước phát triển của bộ phim Langmuir-Blodgett bắt đầu với Benjamin Franklin năm 1773 khi ông ném một thìa dầu vào ao. Franklin nhận thấy rằng các sóng đã được làm dịu gần như ngay lập tức và rằng sự yên tĩnh của sóng lan rộng khoảng một nửa mẫu Anh. Điều Franklin không nhận ra là dầu đã hình thành một lớp đơn trên bề mặt ao. Hơn một thế kỷ sau, Chúa Rayleigh định lượng được điều mà Benjamin Franklin đã nhìn thấy. Biết rằng dầu, axit oleic, đã lan tỏa đều khắp mặt nước, Rayleigh tính rằng độ dày của màng là 1,6 nm nhờ biết được khối lượng dầu đã giảm và diện tích phủ.
Với sự giúp đỡ của bồn rửa nhà bếp của mình, Agnes Pockels cho thấy rằng khu vực của bộ phim có thể được kiểm soát với các rào cản. Bà nói thêm rằng sức căng bề mặt thay đổi do ô nhiễm nước. Cô sử dụng các loại dầu khác nhau để suy ra rằng áp suất bề mặt sẽ không thay đổi cho đến khi khu vực bị giới hạn khoảng 0,2 nm 2. Tác phẩm này ban đầu được viết dưới dạng thư cho Lord Rayleigh, người đã giúp Agnes Pockels xuất bản trên tạp chí Nature vào năm 1891.
Hình ảnh Sarfus của một đơn lớp Langmuir-Blodgett của axit stearic (độ dày = 2,4nm).
Công trình của Agnes Pockels đã đặt nền móng cho Irving Langmuir, người tiếp tục làm việc và khẳng định kết quả của Pockels. Sử dụng ý tưởng của Pockels, ông đã phát triển rãnh Langmuir (hoặc Langmuir-Blodgett). Các quan sát của ông chỉ ra rằng chiều dài xích không ảnh hưởng đến khu vực bị ảnh hưởng vì các phân tử hữu cơ được sắp xếp theo chiều dọc.
Sự đột phá của Langmuir đã không xảy ra cho đến khi ông thuê Katherine Blodgett làm trợ lý của ông. Blodgett bước đầu tìm kiếm việc làm tại General Electric với Langmuir trong kỳ nghỉ lễ Giáng sinh năm cuối của cô tại trường đại học Bryn Mawr, nơi cô nhận bằng Cử nhân Vật lý. Langmuir khuyên Blodgett nên tiếp tục học trước khi làm việc cho anh. Sau đó cô theo học Đại học Chicago để lấy bằng Thạc sỹ về Hóa học. Sau khi hoàn thành Master của mình, Langmuir đã thuê cô làm trợ lý của mình. Tuy nhiên, các đột phá trong hóa học bề mặt đã xảy ra sau khi bà nhận bằng tiến sĩ năm 1926 từ Đại học Cambridge.
Trong khi làm việc cho GE, Langmuir và Blodgett đã khám phá ra rằng khi một bề mặt rắn được chèn vào một dung dịch nước chứa các phân tử hữu cơ, các phân tử hữu cơ sẽ lắng đọng một lớp vỏ đồng nhất trên bề mặt. Đây là quá trình lắng đọng phim của Langmuir-Blodgett. Nhờ công việc này trong hóa học bề mặt và với sự giúp đỡ của Blodgett, Langmuir đã được trao giải Nobel năm 1932. Ngoài ra, Blodgett đã sử dụng bộ phim Langmuir-Blodgett để tạo ra kính chống phản xạ trong suốt 99% bằng cách phủ thủy tinh với các hợp chất hữu cơ flo, Lớp chống phản xạ đơn giản.
Sự hiểu biết
Phim LB được hình thành khi các phân tử amphiphilic như chất hoạt động bề mặt hoặc hạt nano tương tác với không khí ở một giao diện không khí. Các chất hoạt động bề mặt (hoặc chất hoạt động bề mặt) là các phân tử có ‘đuôi’ và ‘đầu’ ưa nước. Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt thấp hơn nồng độ micellar quan trọng (CMC), các phân tử surfactant sắp xếp chúng như thể hiện trong hình 1 dưới đây. Xu hướng này có thể được giải thích bằng các cân nhắc về năng lượng bề mặt. Kể từ khi đuôi là k hydro nước, tiếp xúc với không khí của họ được ưa chuộng hơn để nước. Tương tự như vậy, vì những người đứng đầu có tính ưa nước, sự tương tác giữa nước và đầu thường thuận lợi hơn sự tương tác giữa không khí và nước. Hiệu quả tổng thể là giảm năng lượng bề mặt (hoặc tương đương, sức căng bề mặt của nước).
Đối với nồng độ rất nhỏ, ít hơn rất nhiều so với nồng độ micellar quan trọng (CMC), các phân tử surfactant thực hiện một chuyển động ngẫu nhiên trên giao diện nước-không khí. Chuyển động này có thể được nghĩ là tương tự như chuyển động của các phân tử khí lý tưởng kèm theo trong một bình chứa. Các biến nhiệt động tương ứng đối với hệ thống chất hoạt động bề mặt là, áp suất bề mặt ({\ displaystyle \ Pi} \ Pi), diện tích bề mặt (A) và số lượng các chất hoạt động bề mặt (N). Hệ thống này hoạt động tương tự như khí trong bình chứa. Mật độ các phân tử surfactant cũng như áp suất bề mặt gia tăng khi giảm diện tích bề mặt A (‘nén’ của ‘khí’). Việc nén thêm các phân tử surfactant trên bề mặt cho thấy hành vi tương tự như sự chuyển tiếp pha. Các ‘khí’ được nén vào ‘chất lỏng’ và cuối cùng thành một mảng đóng gói hoàn hảo của các phân tử surfactant trên bề mặt tương ứng với trạng thái ‘rắn’.
Các màng cô đặc sau đó được lắng đọng trên một chất nền vững chắc để tạo ra các lớp màng mỏng được tổ chức rất cao. Langmuir-Blodgett Troughs được sử dụng cho mục đích này.