Самоорганизующиеся монослои представляют собой двумерные структуры, формирующиеся на границе раздела жидкость–газ или жидкость–твердое тело, состоящие из амфифильных молекул, таких как жирные кислоты, липиды или полимерные цепи с функциональными группами, обладающими различной гидрофильностью и гидрофобностью. Эти молекулы ориентируются на поверхности так, чтобы их гидрофобные концы направлялись от воды, а гидрофильные – к воде, минимизируя свободную энергию системы.
Ключевые моменты:
Поверхностное давление и изотермы Поверхностное давление Π определяется как разность между поверхностным натяжением чистой подложки γ0 и поверхностным натяжением с монослоем γ:
Π = γ0 − γ
Изотермы Π(A), показывающие зависимость поверхностного давления от площади на молекулу A, являются основным инструментом для изучения фазового поведения монослоев. Типичные изотермы содержат несколько характерных участков:
Фазовые переходы Переходы между фазами сопровождаются характерными изменениями наклона изотерм, а иногда и областями метастабильности. Эти переходы можно анализировать с использованием термодинамических соотношений Гиббса для двумерных систем:
$$ \left(\frac{\partial \Pi}{\partial T}\right)_A = - \left(\frac{\partial S}{\partial A}\right)_T $$
где S – поверхностная энтропия.
1. Метод Ленгмюра–Блоджетт Позволяет формировать монослои на поверхности воды и управлять их плотностью путем механического сжатия барьеров. Изотермы Π(A) регистрируются с помощью сенсоров поверхностного давления.
2. Микроскопические методы
3. Спектроскопические методы
Плотность упаковки Степень упаковки определяется площадью на молекулу A и взаимодействиями между гидрофобными и гидрофильными группами. В жидко-конденсированных фазах молекулы образуют плотные структуры с определенной симметрией (например, гексагональная упаковка).
Дефекты и доменные структуры Даже в максимально уплотненных монослоях присутствуют дефекты: вакансии, дислокации, границы доменов. Эти дефекты влияют на механические и адсорбционные свойства монослоя.
Динамика молекул Молекулы в жидко-конденсированной фазе сохраняют подвижность в пределах домена, а в твердой фазе – почти полностью фиксированы. Время релаксации молекул на поверхности может варьироваться от наносекунд до секунд, что важно для процессов адсорбции и химических реакций на границе раздела.