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 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 manera homogénea con cada paso de inmersión o emersión, por lo que se pueden formar películas con un espesor muy preciso. 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 suelen estar compuestas por moléculas anfifílicas (ver polaridad química ) con una cabeza hidrófila y una cola hidrófoba (ejemplo: ácidos grasos ) o hoy en día comúnmente por 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.
Los avances en el descubrimiento de las películas LB y LM comenzaron con Benjamin Franklin en 1773, cuando dejó caer aproximadamente una cucharadita de aceite en un estanque. Franklin notó que las olas se calmaron casi instantáneamente y que el calmamiento de las olas se extendió por aproximadamente medio acre . [2] Lo que Franklin no se dio cuenta fue que el petróleo había formado una monocapa en la parte superior de la superficie del estanque. Más de un siglo después, Lord Rayleigh cuantificó lo que Benjamín Franklin había visto. Sabiendo que el aceite, ácido oleico , se había extendido uniformemente sobre el agua, Rayleigh calculó que el espesor de la película era de 1,6 nm al conocer el volumen de aceite que caía y el área de cobertura.
Agnes Pockels demostró con la ayuda del fregadero de su cocina que la superficie de las películas se puede controlar con barreras. Añadió que la tensión superficial varía con la contaminación del agua. Utilizó diferentes aceites para deducir que la presión superficial no cambiaría hasta que el área se limitara 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 terreno para Irving Langmuir , quien continuó trabajando y confirmó los resultados de Pockels. Utilizando la idea de Pockels, desarrolló la artesa 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 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 sus vacaciones de Navidad de su último año en Bryn Mawr College , donde recibió una licenciatura en Física . Langmuir le aconsejó a Blodgett que continuara su educación antes de trabajar para él. Posteriormente asistió a la Universidad de Chicago para obtener su maestría en Química . Al finalizar su maestría, Langmuir la contrató como su asistente. Sin embargo, los avances en la química de superficies se produjeron después de que ella recibiera su doctorado en 1926 en 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 películas de Langmuir-Blodgett. A través de este trabajo en química de superficies y con la ayuda de Blodgett, Langmuir recibió el Premio Nobel en 1932. Además, Blodgett utilizó la película Langmuir-Blodgett para crear vidrio antirreflectante 99% transparente recubriendo el vidrio con compuestos orgánicos fluorados, formando una Revestimiento antirreflectante sencillo .
Las películas de Langmuir se forman cuando moléculas o nanopartículas anfifílicas (tensioactivos) se esparcen sobre el agua en una interfaz aire-agua. Los tensioactivos (o agentes que actúan en la superficie) son moléculas con "colas" hidrofóbicas y "cabezas" hidrofílicas. Cuando la concentración de surfactante es menor que la concentración superficial mínima de colapso y es completamente insoluble en agua, las moléculas de surfactante 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 hidrofóbicas, se favorece su exposición al aire que al agua. De manera similar, dado que las cabezas son hidrófilas, la interacción cabeza-agua es más favorable que la interacción cabeza-aire. El efecto general es la reducción de la energía superficial (o equivalentemente, la tensión superficial del agua).
Para concentraciones muy pequeñas, lejos de la densidad superficial compatible con el colapso de la monocapa (lo que conduce a estructuras de policapas), las moléculas del surfactante ejecutan un movimiento aleatorio en la interfaz agua-aire. Se puede pensar que este movimiento es similar al movimiento de las moléculas de un 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'). Una mayor compresión de las moléculas de tensioactivo en la superficie muestra un comportamiento similar a las transiciones de fase. El "gas" se comprime hasta convertirse en "líquido" y, finalmente, en una matriz perfectamente cerrada de 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 compresión 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, normalmente 30 mN/m) se pueden transferir posteriormente a un sustrato sólido para crear recubrimientos de película delgada altamente organizados. Comederos Langmuir-Blodgett
Además de la película LB a partir de tensioactivos que se muestran en la Figura 1, también se pueden fabricar monocapas similares a partir de nanopartículas inorgánicas. [3]
Agregar una monocapa a la superficie reduce la tensión superficial y la presión superficial viene dada por la siguiente ecuación:
donde es igual a la tensión superficial del agua y es la tensión superficial debida a la monocapa. Pero la concentración-dependencia de la tensión superficial (similar a la isoterma de Langmuir ) es la siguiente:
De este modo,
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 sólo 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 suele medir con la placa de Wilhelmy . Una disposición de sensor de presión/electrobalanza detecta la presión ejercida por la monocapa. También se controla el área al lado de la barrera donde reside la monocapa.
Un simple equilibrio de fuerzas sobre 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 mediciones de la placa Wilhelmy dan isotermas de área de presión que muestran un comportamiento similar a una transición de fase de las películas LM, como se mencionó anteriormente (consulte la figura a continuación). En la fase gaseosa, hay un aumento mínimo de presión por una disminución del área. Esto continúa hasta que ocurre la primera transición y hay un aumento proporcional de la presión al disminuir el área. El paso a la región sólida va acompañado de otra transición brusca a una presión dependiente del área más severa. Esta tendencia continúa hasta un punto en el que las moléculas están relativamente compactas 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 de policapa hacia la fase aérea. La presión superficial durante el colapso de la monocapa puede permanecer aproximadamente constante (en un proceso cercano al equilibrio) o puede disminuir abruptamente (fuera del equilibrio, cuando la presión superficial aumentó demasiado porque la compresión lateral fue demasiado rápida para los reordenamientos monomoleculares).
A lo largo de los años se han sugerido muchas aplicaciones posibles para las películas LM y LB. Sus características son películas extremadamente delgadas y un alto grado de orden estructural. Estas películas tienen diferentes propiedades ópticas, eléctricas y biológicas y están compuestas por 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 también se pueden utilizar como modelos de media membrana celular.
Finalmente, estando en Clapham, donde hay, en el terreno común, un gran estanque, que un día observé que estaba muy agitado por el viento, saqué una aceitera y dejé caer un poco en el agua.6 Vi que se extendía 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 empujó mi aceite hacia la orilla. Luego fui al lado de Barlovento, donde comenzaron a formarse; y allí el aceite, aunque no más que una cucharada de té, produjo una calma instantánea, en un espacio de varios metros cuadrados, que se extendió asombrosamente y se extendió gradualmente hasta llegar al lado de sotavento, haciendo que toda esa cuarta parte del estanque, tal vez media mitad. Acre, tan suave como un espejo.
![{\displaystyle \Pi =-\Delta \gamma =-\left[{\frac {\Delta F}{2(t_{p}+w_{p})}}\right]\approx -{\frac {\ Delta F}{2w_{p}}},}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/affab01d8249b31553f438b68685a59fef00568f)
