Un canal Langmuir-Blodgett ( canal LB ) es un aparato de laboratorio que se utiliza para comprimir monocapas de moléculas en la superficie de una subfase determinada (generalmente agua) y para medir los fenómenos superficiales debidos a esta compresión. También se puede utilizar para depositar monocapas únicas o múltiples sobre un sustrato sólido.
La idea de una película Langmuir-Blodgett (LB) demostró ser factible por primera vez en 1917, cuando Irving Langmuir (Langmuir, 1917) demostró que monocapas individuales de superficie de agua podían transferirse a sustratos sólidos. 18 años después, Katharine Blodgett hizo un avance científico importante cuando descubrió que varias de estas películas monocapa únicas podían apilarse una encima de otra para hacer películas multicapa (Blodgett 1935). Desde entonces, las películas LB (y posteriormente los canales para fabricarlas) se han utilizado para una amplia variedad de experimentos científicos, que van desde la cristalización 2D de proteínas hasta la microscopía del ángulo de Brewster. El objetivo general de la cubeta LB es estudiar las propiedades de monocapas de moléculas anfifílicas . Una molécula anfifílica es aquella que contiene un dominio tanto hidrofóbico como hidrofílico (por ejemplo, jabones y detergentes). La cubeta LB permite a los investigadores preparar una monocapa de moléculas anfifílicas en la superficie de un líquido y luego comprimir o expandir estas moléculas en la superficie, modificando así la densidad molecular o área por molécula. Esto se logra colocando una subfase (generalmente agua) en un canal, esparciendo un anfífilo determinado sobre la superficie y luego comprimiendo la superficie con barreras (ver ilustración). El efecto de la monocapa sobre la presión superficial del líquido se mide mediante el uso de una placa Wilhelmy , sondas de cables electrónicos u otros tipos de detectores. Luego se puede transferir una película LB a un sustrato sólido sumergiendo el sustrato a través de la monocapa.
Langmuir-Blodgett también se utiliza ampliamente para preparar la membrana lipídica e investigar las interacciones con las moléculas de la superficie. Las membranas celulares están complicadas con varias proteínas incrustadas en ellas. Por lo tanto, la membrana celular se imita en membranas modelo para investigar una función particular en un sistema simplificado. Por ejemplo, se puede depositar una monocapa lipídica en la interfaz aire-agua y se pueden inyectar proteínas en el agua. El cambio en la presión superficial puede proporcionar información directa sobre la cinética de adsorción de proteínas en la membrana.
Además de los materiales anfifílicos, los canales Langmuir-Blodgett se utilizan comúnmente hoy en día para crear recubrimientos de nanopartículas con densidad de empaquetamiento controlada. [1] [ ¿ fuente poco confiable? ] [2]
En los primeros experimentos, la artesa se construyó primero con metales como el latón. Sin embargo, surgieron dificultades con la contaminación de la subfase por iones metálicos. Para combatir esto, durante un tiempo se utilizaron bebederos de vidrio, con una capa de cera para evitar la contaminación por los poros del vidrio. Esto finalmente se abandonó en favor de plásticos que eran insolubles en disolventes comunes, como el teflón ( politetrafluoroetileno ). El teflón es hidrofóbico y químicamente inerte, lo que lo convierte en un material muy adecuado y el más utilizado actualmente para los bebederos. Ocasionalmente se utilizan bebederos de metal o vidrio recubiertos con una fina capa de teflón; sin embargo, no son tan duraderos como los comederos macizos de PTFE. [3]
En el caso de experimentos líquido-líquido donde la compresión se realiza en la interfaz de un líquido polar como el agua y un líquido dispersivo como el aceite, la cubeta se fabrica comúnmente con POM (polioximetileno). POM es más hidrófilo y ayuda a mantener estable la interfaz líquido-líquido.
Se han utilizado diferentes mecanismos para comprimir o expandir las monocapas a lo largo del desarrollo de la cubeta LB. En sus primeros experimentos, Langmuir y Blodgett utilizaron hilos de seda flexibles frotados con cera para encerrar y comprimir la película monocapa. Los sistemas más comúnmente utilizados están hechos de barreras móviles que se deslizan paralelas a las paredes del canal y están en contacto con la parte superior del fluido. Estas barreras generalmente están hechas de POM hidrófilo para formar un menisco sobre ellas que ayudará a mantener las moléculas en el interior incluso en altas densidades de empaquetamiento. Las barreras de PTFE también están disponibles para casos en los que se necesita resistencia química adicional. [4]
Otra versión con zona de trabajo perimetral variable es la artesa circular en la que la monocapa se sitúa entre dos barreras radiales. Posteriormente se desarrolló una cubeta de perímetro constante en la que la barrera es una cinta de teflón flexible envuelta alrededor de tres pares de rodillos. Uno de los pares es fijo y los otros dos son móviles sobre carros, de modo que la longitud de la cinta permanece constante a medida que cambia el área de la zona de trabajo.
Los canales alternativos especiales permiten la preparación y deposición de monocapas alternas al tener dos zonas de trabajo separadas que las barreras pueden comprimir de forma independiente o sincrónica. [3]
Una propiedad importante del sistema es su presión superficial (la tensión superficial de la subfase pura menos la tensión superficial de la subfase con anfífilos flotando en la superficie) que varía con el área molecular. La isoterma de presión superficial-área molecular es uno de los indicadores importantes de las propiedades de la monocapa. Además, es importante mantener una presión superficial constante durante la deposición para obtener películas LB uniformes. La medición de la presión superficial se puede realizar mediante una placa Wilhelmy o una balanza Langmuir. [3]
El método Wilhelmy consiste en una placa parcialmente sumergida en el líquido conectada a un sensor electrónico de desplazamiento lineal o electrobalanza. La placa puede estar hecha de platino o de papel de filtro previamente empapado en el líquido para mantener una masa constante. La placa detecta la fuerza hacia abajo ejercida por el menisco líquido que moja la placa. Luego, la tensión superficial se puede calcular mediante la siguiente ecuación:
dónde
El peso de la placa se puede determinar de antemano y poner a cero en la electrobalanza, mientras que el efecto de flotabilidad se puede eliminar extrapolando la fuerza a la profundidad de inmersión cero. Entonces la fuerza componente restante es sólo la fuerza de humectación. Suponiendo que se produce una humectación perfecta de la placa (θ = 0, cos(θ) = 1), entonces se puede calcular la tensión superficial. [5]
La presión superficial es entonces el cambio en la tensión superficial debido a la adición de la monocapa [6]
Dónde
En el método de Langmuir, la presión superficial se mide como la fuerza ejercida directamente sobre una barrera móvil. [3]
Uno de los primeros científicos en describir e intentar cuantificar la extensión de películas monocapa sobre la superficie de un líquido fue Benjamín Franklin . Franklin describió la dispersión de una gota de petróleo sobre la superficie de un lago para formar una superficie de área definida. Además, hizo experimentos dejando caer aceite sobre la superficie de un recipiente con agua y observó que la acción de dispersión dependía de la superficie del líquido, es decir, al aumentar la superficie del líquido se necesitarían más gotas para crear una película sobre la superficie. superficie. Franklin sugirió que esta acción de expansión se basaba en fuerzas repulsivas entre las moléculas de aceite. [7] Mucho más tarde, este trabajo fue continuado por Lord Rayleigh , quien sugirió que la dispersión del petróleo sobre el agua daba como resultado una monocapa de moléculas de petróleo. [8]
Una mujer alemana y científica independiente, Agnes Pockels , escribió a Lord Rayleigh poco después de su publicación en 1890. En esta carta describía un aparato que había diseñado para medir la tensión superficial de monocapas de sustancias hidrofóbicas y anfifílicas. Este sencillo dispositivo era una cubeta hecha de una cacerola de hojalata con inserciones de estaño para determinar el tamaño de la superficie y una balanza con un disco de 6 mm en un extremo para medir la fuerza necesaria para sacar el disco de la superficie. Usando este dispositivo, describió el comportamiento general de la tensión superficial con diferentes concentraciones superficiales de petróleo. [9]
Pockels continuó su trabajo y en 1892 publicó un artículo en el que calculaba la cantidad de varios materiales (principalmente aceites domésticos) necesarios para formar una monocapa. Además comenta sobre la pureza y limpieza necesarias para realizar con precisión mediciones de tensión superficial. También en este artículo informa valores del espesor de películas de diversas sustancias anfifílicas en la superficie del agua. [10]
En un artículo posterior, Pockels examinó los efectos de diferentes proporciones de moléculas hidrofóbicas a anfifílicas sobre la tensión superficial y la formación de monocapas. [11] Después del cambio de siglo, Irving Langmuir mejoró el comedero de Pockels . Con este nuevo dispositivo, Langmuir demostró que las películas anfifílicas son verdaderamente monocapas, y estas monocapas están orientadas en la superficie de manera que "la porción activa o más hidrófila de las moléculas de la superficie está en contacto con el líquido que se encuentra debajo, mientras que las porciones hidrófobas de las moléculas apuntan". hacia el aire". [12] William Harkins describió resultados similares al mismo tiempo. [13] Poco después Langmuir describió la transferencia de películas anfifílicas desde superficies de agua a superficies sólidas (Langmuir, 1920). Langmuir ganó el premio Nobel de química por este trabajo en 1932. [3]
Neil Kensington Adam resumió y amplió el trabajo de Langmuir en una serie de artículos publicados en Proceedings of the Royal Society of London de 1921 a 1926. [14] Katherine Blodgett fue alumna de Irving Langmuir y en 1935 describió la deposición de cientos de capas de moléculas anfifílicas sobre un sustrato sólido de forma muy ordenada. Realizó los desarrollos finales de la artesa Langmuir-Blodgett, lo que le permitió utilizarla para transferir fácilmente películas a superficies sólidas. [15] Después del trabajo de Blodgett, el campo estuvo relativamente inactivo durante varios años hasta que en 1971 Hans Kuhn comenzó a realizar experimentos ópticos y fotoeléctricos con conjuntos monocapa utilizando los métodos de Langmuir y Blodgett. [dieciséis]
Cualquier tipo de experimento de superficie requiere la máxima limpieza y pureza de los componentes. Incluso pequeñas contaminaciones pueden tener efectos sustanciales en los resultados. Si se utiliza una subfase acuosa, el agua debe purificarse para eliminar los compuestos orgánicos y desionizarse hasta una resistividad no inferior a 1,8 GΩ-m. Impurezas tan pequeñas como 1 ppm pueden cambiar radicalmente el comportamiento de una monocapa. [3] Para eliminar la contaminación del aire, la cubeta LB se puede encerrar en una sala limpia. La configuración de la artesa también se puede montar sobre una mesa de aislamiento de vibraciones, para estabilizar aún más la monocapa. Para las mediciones de fuerza también es muy importante la calibración exacta de la electrobalanza, así como utilizar una placa Wilhelmy lo más grande posible para mejorar la relación señal-ruido.
La preparación experimental requiere que la cubeta y las barreras se limpien a fondo con un solvente como etanol para eliminar cualquier residuo orgánico. La subfase líquida se añade hasta una altura tal que el menisco apenas toca las barreras. A menudo es necesario aspirar la superficie del líquido para eliminar las últimas impurezas restantes. Las moléculas anfifílicas disueltas en disolvente se dejan caer lentamente sobre la superficie del líquido utilizando una microjeringa, teniendo cuidado de distribuirlas uniformemente por toda la superficie. Se debe tomar algo de tiempo para permitir la evaporación del solvente y la propagación del anfífilo. La placa Wilhelmy que se vaya a utilizar debe estar absolutamente limpia. Una placa de platino debe eliminarse de cualquier materia orgánica con un solvente o calentarse con una llama. Luego se monta la placa Wilhelmy en la electrobalanza de manera que quede sumergida perpendicularmente a la superficie del líquido y se logre un menisco uniforme. También se pueden utilizar platos de papel desechables.
La transferencia de una monocapa a un sustrato es un proceso delicado que depende de muchos factores. Estos incluyen la dirección y velocidad del sustrato, la presión superficial, la composición, la temperatura y el pH de la subfase. Se han ideado y patentado muchos métodos de transferencia diferentes. Un método implica un brazo de inmersión que sostiene el sustrato y puede programarse para pasar a través de la interfaz de arriba a abajo o de abajo a arriba a una velocidad determinada. Para inmersión comenzando desde debajo de la superficie del líquido, el sustrato debe ser hidrófilo, y para inmersión comenzando por encima de la superficie del líquido, el sustrato debe ser hidrófobo. Se pueden conseguir multicapas mediante inmersiones sucesivas a través de monocapas alternas. [3]
El comedero LB tiene innumerables usos, pero generalmente asume una de dos funciones. En primer lugar (como se describió anteriormente), la cubeta se puede usar para depositar una o más monocapas de anfífilos específicos sobre sustratos sólidos. Se utilizan a su vez para diferentes áreas de la ciencia que van desde la óptica hasta la reología . Por ejemplo, a través de dispositivos fabricados a partir de un canal LB Lee et al. [17] demostró en 2006 que la tunelización directa de electrones era el modo de transporte en monocapas autoensambladas de alcanotiol [18]
Los canales Langmuir-Blodgett tienen ventajas únicas en la deposición de nanopartículas, lo que los hace capaces de crear recubrimientos altamente sofisticados con nanopartículas. Algunas de las ventajas incluyen un control preciso de la densidad de empaquetamiento de las moléculas y el espesor de la capa depositada. Además, el método LB es flexible al utilizar diferentes geometrías de sustratos y diferentes materiales de nanopartículas. [19]
En segundo lugar, la cubeta LB se puede utilizar como dispositivo experimental para probar propiedades interfaciales como la tensión superficial de varios fluidos, así como la presión superficial de un sistema determinado. El sistema también se puede utilizar como mecanismo de observación para observar cómo interactúan los fármacos con los lípidos, o para ver cómo se organizan los lípidos a medida que varían las proporciones de número a área.
Los canales Langmuir-Blodgett se pueden utilizar para experimentos en la fabricación de películas Langmuir-Blodgett y la caracterización de películas Langmuir. Las películas LB se utilizan actualmente como componentes básicos de la electrónica molecular. [20] Los canales se pueden utilizar para fabricar películas para la fabricación de dispositivos electrónicos a nanoescala, como láminas de grafeno (Li et al., 2008) y pantallas LCD (Russell-Tanner, Takayama, Sugimura, DeSimone & Samulski, 2007). Además, se pueden fabricar películas de materiales biológicos (Yang et al., 2002) para mejorar la adhesión celular o estudiar las propiedades de las biopelículas. Un ejemplo de la utilidad de los canales Langmuir-Blodgett para caracterizar películas de Langmuir es el análisis de las propiedades superficiales de puntos cuánticos en la interfaz aire-agua. [21]
La superficie del agua tiene una naturaleza inmensamente suave que podría extenderse hasta el tamaño de su recipiente. La rugosidad cuadrática media (RMS) del agua es de 3,2 Å, medida por la reflectividad de rayos X. [22] Esta característica convierte a los canales Langmuir en un candidato adecuado para la síntesis y caracterización de láminas monocapa covalentes e incluso polímeros 2D. [23] [24] [25]
![{\displaystyle {\begin{alineado}\mathrm {[Fuerza\ sobre\ placa]} &=\mathrm {[Peso\ de\ placa]} &+\mathrm {[Superficie\ Tensión\ Fuerza]} &-\mathrm {[Fuerza flotante\]} \\F&=\left(m_{p}g\right)&+2(t_{p}+w_{p})\gamma _{LV}\cos(\theta )&- \rho _{l}V_{p}g\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7f7a484253a2e60d0fad8b084e404b4a925082c0)
