Monoschicht - Monolayer

Eine Monoschicht ist eine einzelne, dicht gepackte Schicht aus Atomen , Molekülen oder Zellen. In einigen Fällen wird es als selbstorganisierte Monoschicht bezeichnet . Monoschichten aus geschichteten Kristallen wie Graphen und Molybdändisulfid werden allgemein als 2D-Materialien bezeichnet .

Chemie

Diagramm ambiphiler Moleküle, die auf einer Wasseroberfläche schwimmen.

Eine Langmuir - Monoschicht oder unlösliche Monoschicht ist eine Ein-Molekül dicke Schicht aus einem unlöslichen organischen Material Aufstrich auf eine wässrige Unterphase in einem Langmuir-Blodgett - Trog . Herkömmliche Verbindungen zur Herstellung von Langmuir- Monoschichten sind amphiphile Materialien, die eine hydrophile Kopfgruppe und einen hydrophoben Schwanz besitzen. Seit den 1980er Jahren wird eine Vielzahl anderer Materialien zur Herstellung von Langmuir-Monoschichten verwendet, von denen einige semi-amphiphil sind, darunter polymere, keramische oder metallische Nanopartikel und Makromoleküle wie Polymere . Langmuir-Monoschichten werden intensiv für die Herstellung von Langmuir-Blodgett-Filmen (LB-Filmen) untersucht, die durch übertragene Monoschichten auf einem festen Substrat gebildet werden. Eine Gibbs- Monoschicht oder lösliche Monoschicht ist eine Monoschicht, die von einer Verbindung gebildet wird, die in einer der Phasen löslich ist, die durch die Grenzfläche getrennt sind, auf der die Monoschicht gebildet wird.

Bildungszeit

Die Monolayer-Bildungszeit oder Monolayer-Zeit ist die Zeitdauer, die im Durchschnitt benötigt wird, damit eine Oberfläche mit einem Adsorbat bedeckt ist, wie z. B. Sauerstoff, der an frischem Aluminium haftet. Wenn das Adsorbat einen Haftkoeffizienten von Eins hat , so dass jedes Molekül, das die Oberfläche erreicht, daran klebt, ohne wieder zu verdampfen, dann ist die Monolayer-Zeit sehr grob:

${\displaystyle t={\frac {3\times 10^{-4}\,\mathrm {Pa}\cdot\mathrm {s} }{P}}}$

wobei t die Zeit und P der Druck ist. Es dauert etwa 1 Sekunde, bis eine Oberfläche bei einem Druck von 300 µPa (2×10 ^-6  Torr) bedeckt ist .

Einschichtige Phasen und Zustandsgleichungen

Eine Langmuir-Monoschicht kann komprimiert oder ausgedehnt werden, indem ihre Fläche mit einer beweglichen Barriere in einer Langmuir-Filmwaage modifiziert wird. Wird die Oberflächenspannung der Grenzfläche während der Kompression gemessen, erhält man eine Kompressionsisotherme . Diese Isotherme zeigt die Variation des Oberflächendrucks ( , wobei die Oberflächenspannung der Grenzfläche vor der Bildung der Monoschicht ist) mit der Fläche (dem Kehrwert der Oberflächenkonzentration ). Es ist analog zu einem 3D-Prozess, bei dem der Druck mit dem Volumen variiert . ${\displaystyle \Pi =\gamma^{o}-\gamma}$${\displaystyle \gamma^{o}}$${\displaystyle \Gamma^{-1}}$

Es können verschiedene zweidimensionale Phasen nachgewiesen werden, die jeweils durch einen Phasenübergang getrennt sind . Während des Phasenübergangs ändert sich der Oberflächendruck nicht, aber die Fläche ändert sich, genau wie bei normalen Phasenübergängen ändert sich das Volumen, der Druck jedoch nicht. Die 2D-Phasen in aufsteigender Druckreihenfolge:

• Zweidimensionales Gas: Es gibt wenige Moleküle pro Flächeneinheit und sie haben wenige Wechselwirkungen, daher können analog zu den Zustandsgleichungen für 3D-Gase verwendet werden: ideales Gasgesetz , wobei die Fläche pro Mol ist. Mit zunehmender Flächenpressung werden komplexere Gleichungen benötigt (Van der Waals, virial...)${\displaystyle \Pi A=RT}$${\displaystyle A}$
• Expandierte Flüssigkeit
• Komprimierte Flüssigkeit
• Fest

Wird die Fläche nach Erreichen der Festphase weiter verkleinert, kommt es zum Kollaps, die Monoschicht bricht und es bilden sich lösliche Aggregate und Multischichten

Gibbs-Monoschichten folgen auch Zustandsgleichungen, die aus der Gibbs-Isotherme abgeleitet werden können .

• Für sehr verdünnte Lösungen wird durch die Gibbs-Isotherme ein weiteres Analogon des idealen Gasgesetzes erreicht${\displaystyle \gamma =\gamma_{o}-mC}$${\displaystyle \Pi =\Gamma RT}$
• Für konzentriertere Lösungen und Anwendung der Langmuir-Isotherme , also${\displaystyle \Gamma =\Gamma_{\max }{\frac {C}{a+C}}}$${\displaystyle \Pi =\Gamma_{\max}RT\left(1+{\frac{C}{a}}\right)}$

Anwendungen

Monoschichten haben eine Vielzahl von Anwendungen sowohl an der Luft-Wasser- als auch an der Luft-Feststoff-Grenzfläche.

Nanopartikel-Monoschichten können verwendet werden, um funktionelle Oberflächen zu schaffen, die beispielsweise antireflektierende oder superhydrophobe Eigenschaften aufweisen.

Monolayer sind in der Biologie häufig anzutreffen . Eine Mizelle ist eine Einschichtfolie, und die Phospholipid Lipid - Doppelschicht - Struktur von biologischen Membranen ist technisch zwei Monolayern. Langmuir-Monoschichten werden häufig verwendet, um Zellmembranen nachzuahmen, um die Wirkung von Pharmazeutika oder Toxinen zu untersuchen.

In der Zellkultur bezeichnet ein Monolayer eine Zellschicht, in der keine Zelle übereinander wächst, sondern alle nebeneinander wachsen und sich oft auf derselben Wachstumsfläche berühren.

Siehe auch

• Langmuir-Blodgett-Film
• Langmuir-Blodgett Trog
• Selbstorganisierte Monoschicht
• Verdunstungsunterdrückende Monoschichten

Verweise

Externe Links

• "Monoschicht" . IUPAC-Kompendium der chemischen Terminologie . Goldbuch . IUPAC . 2009. doi : 10.1351/goldbook.M04015 . ISBN 978-0-9678550-9-7.
• Monoschicht
• Irving Langmuir demonstriert die Herstellung von Monolayern auf einer Wasseroberfläche; Film von 1939 (Youtube)