УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОСЛОЕВ МЕТОДОМ ЛЕНГМЮРА-БЛОДЖЕТТ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Полезная модель относится к области нанотехнологии, а именно к созданию наноразмерных материалов, предпочтительно ленгмюровских монослоев и наночастиц с заданными свойствами, путем управления размерами, концентрациями отдельных наночастиц и других физико-химических переменных величин с использованием электрических средств, в частности электрического поля. Полезная модель может быть использована при анализе поверхностных структур в атомном диапазоне, исследовании граничных свойств, в частности поверхностного натяжения.
Из существующего уровня техники известны установки, используемые в технологии Ленгмюра-Блоджетт, различающиеся формой, материалами изготовления и набором дополнительных инструментов (диппер, миксер, рН-метр, термометр и др.).
Известна установка с переменным периметром рабочей зоны (циркулярная ванна) для получения монослоев поверхностно-активных веществ (ПАВ) (см. Чечель О.В., Николаев Е.Н. Устройства для получения пленок Ленгмюра-Блоджетт // Приборы и техника эксперимента. - 1991. - №4. - С.19-27). Данная установка включает емкость для жидкой субфазы (ванна) с круглой поверхностью, датчик поверхностного давления с измеряющей пластиной (пластина Вильгельми), два радиальных барьера: подвижный и неподвижный, систему управления движением барьеров. Монослой находится между двумя барьерами. Данная установка отличается простотой привода и компактностью.
Однако, установка имеет недостатки: разную скорость сжатия монослоя в центре ванны и на периферии, что ведет к неоднородности монослоя по всей поверхности рабочей зоны.
Известна установка с постоянным периметром рабочей зоны для получения монослоев ПАВ (см. Чечель О.В., Николаев Е.Н. Устройства для получения пленок Ленгмюра-Блоджетт // Приборы и техника эксперимента. - 1991. -№4. - С.19-27). Данная установка включает емкость для жидкой субфазы с поверхностью в виде прямоугольника, датчики поверхностного давления с измеряющей пластиной Вильгельми, барьер в виде гибкой фторопластовой ленты, пересекающей монослой и ограничивающей рабочую зону. Лента обтянута вокруг двух пар роликов, одна из которых неподвижна, а две движутся на тележках. Движение тележек синхронизировано таким образом, что длина ленты не изменяется, а площадь рабочей зоны зависит от взаимного положения двух подвижных тележек. При использовании двух параллельных ванн, в каждой из которых установлена данная система роликов и тележек, можно получить мультислои в установке с одной системой барьеров. К ленте-барьеру, обтянутой вокруг трех пар роликов, присоединена вторая гибкая лента, которая делит рабочую зону на две части, в каждой из которых можно создавать различные монослои и наносить на одну подложку. Данное устройство обеспечивает равномерное сжатие монослоя по всей площади.
Недостатками установки является недостаточное управление взаимодействием монослоя с жидкой субфазой, неэффективность выращивания наночастиц из ионов примеси под монослоем.
Прототипом к заявленному техническому решению является установка для получения монослоев методом Ленгмюра-Блоджетт MDT-LB5 фирмы НТ-МДТ, разработанная в г.Москва гос. НИИ Физических проблем (см. MDT-LB5. Установка молекулярного наслаивания. Руководство пользователя // Москва: Гос. НИИ Физических Проблем. 1995. - 33 с). Данная установка включает: мраморное основание с опорными винтами для выравнивания уровня ванны, ванну из плексигласа (полиметилметакрилата), установленную на четырех стойках, жестко закрепленных на мраморном основании, два тефлоновых барьера в форме прямоугольных параллелепипедов, расположенных на поверхности жидкой субфазы, систему управления движением правого и левого барьеров, состоящую из двух шаговых двигателей и компьютер с интерфейсной платой шаговых двигателей, раму для крепления дополнительных датчиков и приспособлений, которая жестко прикреплена к основанию, датчик поверхностного давления с измеряющей пластиной Вильгельми. Данная установка позволяет формировать монослой на водной поверхности в результате двухстороннего или одностороннего сжатия, поддерживать в монослое заданную величину поверхностного давления и производить перенос монослоев на твердую подложку методом Ленгмюра-Блоджетт, выращивать наночастицы из ионов примеси жидкой субфазы.
Недостатками данной установки является недостаточно однородная структура монослоя, необходимость использования большой концентрации ионов примеси в жидкой субфазе для повышения скорости химической реакции между монослоем и жидкой субфазой.
Задачей заявляемой полезной модели является создание устройства для получения монослоев с заданным расположением ионов примеси в жидкой субфазе, а также положением молекул монослоя ПАВ на поверхности жидкой субфазы.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение однородности монослоя, увеличение скорости химических реакций между ПАВ и ионами примеси при снижении концентрации ионов примеси в жидкой субфазе за счет присутствия электрического поля.
Указанный технический результат достигается тем, что установка для получения монослоев методом Ленгмюра-Блоджетт, включающая прямоугольную ванну с жидкой субфазой, барьеры, расположенные вдоль противоположных сторон ванны с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости, датчик измерения поверхностного давления, содержащий пластину Вильгельми, погруженную в жидкую субфазу, согласно решению каждый барьер выполнен в виде нити из диэлектрического гидрофобного материала, расположенной на поверхности жидкой субфазы и снабженной каркасом, расположенным над поверхностью жидкой субфазы, пластина Вильгельми выполнена электро-изолированной от датчика поверхностного давления, а установка снабжена парой электродов, расположенных один над другим, выполненных с возможностью подключения к источнику питания, при этом верхний электрод снабжен отверстием для пластины Вильгельми и расположен между каркасами и нитями барьеров, а нижний электрод расположен под поверхностью жидкой субфазы.
Полезная модель поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения.
На фиг.1 представлены конструктивные элементы заявляемой установки; на фиг.2 представлена заявляемая установка в сборе - вид сбоку. Позициями на чертежах обозначены:
1 - ванна;
2 - барьер;
3 - удерживающий каркас;
4 - фторопластовая нить;
5 - верхний электрод;
6 - нижний электрод;
7 - датчик поверхностного давления;
8 - пластина Вильгельми;
9 - источник питания;
10 - шаговый двигатель;
11 - компьютер;
12 - монослой ПАВ;
13 - жидкая субфаза;
14 - ионы примеси.
Заявляемая установка для получения монослоев методом Ленгмюра-Блоджетт в электрическом поле содержит ванну 1 из диэлектрического химически-инертного материала, например плексигласа (см. фиг 1), расположенную на массивном твердом основании с опорными винтами для выравнивания уровня ванны (на чертеже не показаны). Установка содержит два барьера 2 в виде фторопластовых нитей 4 с удерживающими их в натянутом положении каркасами 3 из плексигласа, выполненными с возможностью соединения с шаговыми двигателями 10. Барьеры расположены по краям ванны с возможностью независимого перемещения для сближения и удаления относительно друг друга в горизонтальной плоскости. Заявляемая установка также содержит пару плоских электродов, изготовленных из фольгированного текстолита: верхний электрод 5 и нижний электрод 6. Электроды располагают над поверхностью жидкой субфазы и под поверхностью жидкой субфазы, таким образом, чтобы зазор обеспечивал необходимую напряженность электрического поля в монослое и в жидкой субфазе при подключении электродов к источнику питания 9. Материалом изготовления электродов может быть выбран любой химически-инертный проводящий материал. Источник питания 9 предназначен для питания электродов как постоянным, так и переменным напряжением от нескольких вольт до киловольт в зависимости от заданных параметров получаемого монослоя. Для контроля процесса формирования получаемого монослоя установка снабжена датчиком поверхностного давления 7, к которому при помощи ленты из полиэстера, либо другого диэлектрического материала, величина веса которого находиться в области чувствительности датчика, прикреплена пластина Вильгельми 8. Система управления движением барьеров включает два шаговых двигателя 10 - по одному на каждый барьер, соединенных с совместимым компьютером 11, снабженным интерфейсной платой драйвера шаговых двигателей.
Работает установка следующим образом. Ванну 1 заполняют очищенной жидкой субфазой 13, например водой (дистиллированной и деионизованной), и добавляют определенное количество ионов примеси 14 в соответствии с условиями работы (см. фиг.2). На поверхность водной субфазы наносят ПАВ. Далее подают необходимое напряжение на электроды и барьерами сжимают ПАВ для получения монослоя 12. В зависимости от потенциала на электродах 5, 6 можно создать градиент концентрации примеси в жидкой субфазе и тем самым увеличить или уменьшить в приповерхностном слое концентрацию ионов, взаимодействующих с электродами посредством кулоновских сил. Таким образом, формирование монослоя ПАВ происходит в условиях с заданной концентрацией в приповерхностном слое ионов примеси. Ионы примеси химически реагируют с монослоем ПАВ, происходит реакция типа замещения, образующая, таким образом, наночастицы под монослоем. Таким образом, при достаточной напряженности электрического поля в монослое и жидкой субфазе можно добиться увеличения или уменьшения концентрации ионов примеси в приповерхностном слое, что влечет за собой соответственно увеличение или уменьшение скорости химической реакции между монослоем ПАВ и ионами примесями, что определяет размеры и скорость роста наночастиц из ионов примеси под монослоем. Кроме того, при наличии у молекул дипольных моментов и при приложении к электродам напряжения можно добиться изменения структуры монослоя ПАВ в виде изменения положения молекул ПАВ на поверхности жидкой субфазы. Молекулы ПАВ, имея некоторую длину и дипольный момент, выстраиваются в вертикальном направлении посредствам кулоновского взаимодействия между диполем - молекулой ПАВ и электродами, заряженными положительно и отрицательно. Таким образом, за счет влияния на монослой однородного электрического поля повышают однородность монослоя (его структурное совершенство). В итоге получают однородный монослой, характеризующийся строго вертикальной ориентацией молекул ПАВ, тогда как в монослое, полученном исключительно путем сжатия ПАВ барьерами, присутствуют молекулы, ориентированные иначе. При этом с помощью заявляемой установки возможно получить однородный монослой при меньшем по сравнению с прототипом поверхностном давлении. В качестве материала монослоя могут быть взяты амфифильные вещества (жирные кислоты, фосфолипиды и др.), жидкокристаллические материалы, полимеры (полиамидокислоты, хитозан и др.), биологические вещества и более сложные образования (ДНК, органоиды, клеточные включения, клетки) и др. В качестве примеси в жидкой субфазе могут быть использованы любые заряженные частицы (ионы, дипольно-заряженные молекулы и др.).
Был изготовлен опытный образец устройства. За основу выбрали установку MDT-LB5 фирмы НТ-МДТ, включающую датчик поверхностного давления, ванну глубиной 10 мм, расположенную на горизонтальном мраморном основании, шаговые двигатели для привода барьеров и компьютер для управления шаговыми двигателями. С целью получения электрической развязки пластины Вильгельми и датчика поверхностного давления, в качестве материала, их соединяющего, была выбрана полиэстеровая лента. Размеры, формы электродов и барьеров выполнены с учетом совместимости с установкой MDT-LB5. Два электрода, выполненные из медной фольги, нанесенной на текстолитовую пластину, расположены на дне ванны и над ванной соответственно таким образом, чтобы зазор между ними не превышал 15 мм. Для пластины Вильгельми в верхнем электроде выполнено соответствующее отверстие. Выполненные электроды соединяют с источником питания с помощью соединительных проводов и клемм. В пробной работе установки в качестве ионов примеси использовались ионы никеля, в качестве ПАВ использовалась арахиновая кислота. При подаче напряжения величиной 300 В, концентрация ионов никеля в приповерхностном слое увеличилась приблизительно в 10 раз. При напряженности электрического поля между электродами Е=3-5 кВ/см наблюдалась строго вертикальная ориентация молекул ПАВ на поверхности жидкой субфазы.