Una película Langmuir–Blodgett (LB) es un tipo emergente de material 2D para fabricar heteroestructuras para nanotecnología, que se forma cuando las películas Langmuir (o monocapas 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 mediante la inmersión (o emersión) del sustrato sólido en (o desde) el líquido. Una monocapa se adsorbe de forma homogénea con cada paso de inmersión o emersión, por lo que se pueden formar películas con un espesor muy preciso. Este espesor es preciso porque se conoce el espesor de cada monocapa y, por lo tanto, se puede sumar para encontrar el espesor total de una película Langmuir–Blodgett.
Las monocapas se ensamblan verticalmente y generalmente están compuestas por moléculas anfifílicas (ver polaridad química ) con una cabeza hidrófila y una cola hidrófoba (ejemplo: ácidos grasos ) o, actualmente, comúnmente, por nanopartículas . [1]
Las películas 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 hacia 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 la calma de las olas se extendió por aproximadamente medio acre . [2] Lo que Franklin no se dio cuenta fue que el aceite había formado una monocapa sobre la superficie del estanque. Más de un siglo después, Lord Rayleigh cuantificó lo que Benjamin 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 conociendo el volumen de aceite vertido y el área de cobertura.
Con la ayuda del fregadero de su cocina, Agnes Pockels demostró que el área 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 unos 0,2 nm 2 . Este trabajo se escribió 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 el canal de 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 gran avance de Langmuir no se produjo hasta que contrató a Katherine Blodgett como su asistente. Blodgett inicialmente fue a buscar un 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 completar su maestría, Langmuir la contrató como su asistente. Sin embargo, los avances en química de superficies se produjeron después de que ella recibiera su doctorado en 1926 de 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 fracciones orgánicas, las moléculas orgánicas depositan una monocapa de manera homogénea sobre la superficie. Este es el proceso de deposición de película 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 un vidrio antirreflejo 99% transparente al recubrir el vidrio con compuestos orgánicos fluorados, formando un revestimiento antirreflejo simple .
Las películas de Langmuir se forman cuando las moléculas anfifílicas (surfactantes) o nanopartículas se esparcen sobre el agua en una interfase aire-agua. Los surfactantes (o agentes que actúan sobre la superficie) son moléculas con "colas" hidrófobas y "cabezas" hidrófilas. 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 se puede explicar por consideraciones de energía superficial. Dado que las colas son hidrófobas, su exposición al aire se ve favorecida por sobre la del 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 (que conduce a estructuras de policapas), las moléculas de surfactante ejecutan un movimiento aleatorio en la interfaz agua-aire. Este movimiento puede considerarse similar al movimiento de las moléculas de gas ideal encerradas en un recipiente. Las variables termodinámicas correspondientes para el sistema surfactante son la presión superficial ( ), el área superficial (A) y el número de moléculas de surfactante (N). Este sistema se comporta de manera similar a un gas en un recipiente. La densidad de las moléculas de surfactante, así como la presión superficial, aumentan al reducir el área superficial A ("compresión" del "gas"). Una mayor compresión de las moléculas de surfactante en la superficie muestra un comportamiento similar a las transiciones de fase . El "gas" se comprime en "líquido" y, finalmente, en una matriz empaquetada perfectamente cerrada de las moléculas de surfactante 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 la película 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 condensadas de Langmuir (en presiones superficiales generalmente superiores a 15 mN/m, típicamente 30 mN/m) se pueden transferir posteriormente a un sustrato sólido para crear recubrimientos de película delgada altamente organizados. Canales de Langmuir-Blodgett
Además de la película LB de surfactantes que se muestra en la Figura 1, también se pueden hacer monocapas similares a partir de nanopartículas inorgánicas. [3]
Añadiendo una monocapa a la superficie se 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 dependencia de la concentración 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 solo cuando las soluciones están diluidas y las concentraciones son bajas. Por lo tanto, a concentraciones muy bajas del surfactante, las moléculas se comportan como moléculas de gas ideal .
Experimentalmente, la presión superficial se mide generalmente utilizando la placa Wilhelmy . Un sensor de presión/balanza eléctrica detecta la presión ejercida por la monocapa. También se monitorea el área al costado de la barrera donde se encuentra la monocapa.
Un simple equilibrio de fuerzas sobre la placa conduce a la siguiente ecuación para la presión superficial:
solo cuando . Aquí, y son las dimensiones de la placa, y es la diferencia de fuerzas. Las mediciones de la placa de Wilhelmy dan isotermas de presión-área que muestran un comportamiento similar a la transición de fase de las películas LM, como se mencionó anteriormente (ver la figura siguiente). En la fase gaseosa, hay un aumento mínimo de presión para una disminución del área. Esto continúa hasta que ocurre la primera transición y hay un aumento proporcional de la presión con la disminución del área. Pasar a la región sólida está acompañado por otra transición brusca a una presión dependiente del área más severa. Esta tendencia continúa hasta un punto donde las moléculas están relativamente empaquetadas y tienen muy poco espacio para moverse. Aplicar una presión creciente en este punto hace que la monocapa se vuelva inestable y destruya la monocapa formando estructuras de policapa hacia la fase de aire. La presión superficial durante el colapso de la monocapa puede permanecer aproximadamente constante (en un proceso cerca del equilibrio) o puede decaer abruptamente (fuera de 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 posibles aplicaciones para las películas LM y LB. Se caracterizan por ser películas extremadamente delgadas y tener 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 los factores externos ( presión , temperatura o cambio de gas). Las películas LM también se pueden utilizar como modelos para la mitad de una membrana celular.
Finalmente, estando en Clapham, donde hay, en el Common, un estanque grande, que un día observé que estaba muy agitado por el viento, saqué un bote de aceite y dejé caer un poco en el agua.6 Vi que se extendía con sorprendente rapidez sobre la superficie, pero no se producía 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 era más que una cucharadita, produjo una calma instantánea, en un espacio de varias yardas cuadradas, que se extendió asombrosamente y se extendió gradualmente hasta llegar al lado de sotavento, haciendo que todo ese cuarto del estanque, tal vez medio acre, fuera tan liso 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)
