Подвижный барьер для получения монослоев методом Ленгмюра-Блоджетта Советский патент 1992 года по МПК B05C3/02 B29C41/02 

ч

Ё

Использование: получение на установках с подвижным барьером мономолекулярных пленок различных веществ методом Ленгмюра-Блоджетта. Сущность изобретения подвижный барьер выполнен в виде замкнутой гибкой ленты, огибающей подвижные и неподвижные направляющие с образованием многоугольника Число его сторон по меньшей мере равно шести В вершинах многоугольника лента образует вытянутую петлю, огибающую неподвижную направляющую У основания петли с двух сторон к ленте поджаты подвижные направляющие. Они установлены на штоке для их радиального перемещения к центру многоугольника 6 ил

Изобретение относится к получению мономолекулярных пленок различных веществ методом Ленгмюра-Блоджетта, в частности к основному узлу используемых для этой цели установок - к подвижным барьерам, и позволяет получать мономолекулярные пленки с высокой степенью стабильности и качества.

Одной из основных задач при получении монослоев методом Ленгмюра-Блоджетта является достижение как можно большей двумерной упорядоченности получаемого монослоя. Это свойство последнего определяется конструкцией подвижного барьера, осуществляющего сжатие на поверхности жидкости растекшегося по ней споя амфифильного вещества, из которого необходимо получить мономолекулярную пленку.

Известна установка для получения монослоя методом Ленгмюра-Блоджетта, содержащая секционную ванну с двумя подвижными барьерами.

Однако в данной установке конструкция барьера позволяет осуществлять только одностороннее сжатие слоя вещества на поверхности жидкости При этом вследствие нескомпенсированного градиента давления возможно получение некачественного монослоя. Это связано с тем, что при достижении необходимого состояния монослоя, в точке, где контролиоуется поверхностное давление сжимаемого монослоя, в другой, более близкой к барьеру , возможно другое состояние монослоя,вплоть до наслоения друг на друга отдельных фрагментов монослоя.

Известна установка для получения ме годом Ленгмюра-Блоджетта моносля в коХ|(Л 4 N5 Ю N

торой с целью стабилизации мономолекулярного слоя вещества перед его нанесением на подложку имеется устройство для измерения абсолютной величины и изменения площади переносимого мономолекулярного слоя, которое связано с тягой подвижного барьера.

Однако известная установка характеризуется недостаточной равномерностью сжатия получаемого монослоя и, как следствие, недостаточной его однородностью. Это связано с наличием одностороннего подвижного барьера; что не позволяет добиться равномерности сжатия по всей поверхности мономолекулярной пленки.

Наиболее близким к предлагаемому является подвижный барьер для получения монослоев методом Ленгмюра-Блоджетта, который выполнен в виде замкнутой гибкой ленты с постоянным периметром, В данном случае барьер представляет собой многоугольник-четырехугольник, в двух вершинах которого расположены неподвижные направляющие, а в двух других вершинах - подвижные направляющие, которые могут синхронно скользить по направлению к противоположной стороне и обратно. При этом рядом с одной из подвижных направляющих расположена дополнительная неподвижная направляющая, относительно которой две подвижные направляющие и перемещают одну сторону четырехугольника при условии ее строгой параллельности противоположной стороне.

Однако этот подвижный барьер характеризуется недостаточной равномерностью сжатия, так как имеется возможность лишь одностороннего сжатия моносяоя, что не позволяет осуществить оптимальную стабилизацию мономолекулярного слоя перед его нанесением на подложку и, следовательно, увеличивается риск получения дефектных пленок.

Целью изобретения является повышение качества монослоев за счет обеспечения равномерности их сжатия.

Поставленная цель достигается тем, что число сторон моноугольника выбрано по меньшей мере равным шести, причем в вершинах многоугольника лента смонтирована с образованием вытянутой петли, огибающей неподвижную направляющую, у основания каждой петли расположены поджатые к ленте с двух сторон две подвижные направляющие, размещенные на равном расстоянии от неподвижной направляющей, а подвижные направляющие смонтированы с возможностью возвратно-поступательного перемещения в

радиальном направлении от неподвижной направляющей к центру многоугольника.

На фиг.1 изображена установка, общий вид; на фиг.2 - общая функциональная схема установки; на фиг.З - подвижный барьер- ный узел вместе с исполнительными сильфонами; на фиг.4 - сильфон вместе с закрепленными на нем неподвижной и двумя подвижными направляющими; на фиг.5

0 - узел изменения периметра барьера, вид сверху; на фиг.б - определение величины шага барьера.

Подвижный барьер для получения монослоев методом Ленгмюра-Блоджетта яв5 ляется основным узлом используемой для этой цели установки, которая состоит из следующих функциональных блоков и узлов подвижного барьера 1 в виде замкнутой гибкой ленты, исполнительных сильфонов 2-7

0 барьера 1, исполнительного сильфона 8 подложки 9, двух приводных сильфонов 10 и 11 с соответствующими шаговыми электродвигателями 12 и 13, двух блоков 14 и 15 управления для шаговых двигателей 12 и 13

5 соответственно, блока 16 питания, генератором 17 и 18 соответственно управления барьером 1 и подложкой 9, весов 19 Виль- гельми, блока связи с ЭВМ 20 и управляющей ЭВМ 21 (генераторы, блоки

0 управления питания и связи с ЭВМ входят в систему КАМАК).

Исполнительные сильфона барьера 2-7 расположены по краю ванны 22 и соединены между собой впаянными металлически5 ми трубками 23, через которые на все сильфоны подается одинаковое усилие, что позволяет строго синхронизировать работу всех шести исполнительных сильфонов. Скользящий шток 24 каждого сильфона 2-7

0 имеет две подвижные направляющие 25 (фиг.4). Эти направляющие 25 с двух сторон поджаты к ленте 26, огибающей неподвижную направляющую 27 с образованием вы- тянутой петли, таким образом

5 направляющие 25 размещены у основания каждой петли и на равном расстоянии от неподвижной направляющей 27, которая закреплена на корпусе сильфона. Для обеспечения необходимой жесткости барьера 1

0 неподвижные направляющие 27 всех шести сильфонов 2-7 растянуты с помощью пружин 28 в направлении от центра многоугольника (фиг.4), который образован лентой 26 барьера 1.

5 Число сторон многоугольника выбрано по меньшей мере равным шести, Сильфоны 8 и 11 соединены с помощью гибкой трубки 29, а сильфон 10 соединен с сильфоном 2 гибкой трубкой 30. Исполнительный сильфон 8 подложки 9 укреплен на стойке 31 над

центром ванны 22. На подвижном штоке 32 закреплена подложка 9. Подвижные направляющие 25 смонтированы посредством штока 24 в каждом сильфоне 2-7 с возможностью возвратно-поступательного перемещения в радиальном направлении от неподвижной направляющей 27 к центру многоугольника (в данном случае шестиугольника, где угол между смежными силь- фонами 2-7 равен 60%.

Установка работает следующим образом.

До начала рабочего цикла внутрь барьера 1 на поверхность дистиллированной воды наносится строго дозированное количество необходимого вещества. Через некоторое время (5-10 мин) последнее растекается по всей поверхности воды в пределах площади, ограниченной барьером 1, затем по командам ЭВМ 21 (фиг.2) через блок 20 связи на генератор 17 поступают управляющие сигналы по направлению движения, включению/выключению и по скорости движения барьера 1. На генераторе 17 вырабатываются соответствующие имлуль- соы с необходимой длительностью и частотой. С учетом последних блок 14 управления обеспечивает поворот вала шагового электродвигателя 12 на необходимое число оборотов. Это вызывает сжатие приводного сильфона 10 и, следовательно, приводит в действие исполнительные сильфоны 2-7. У каждого из шести исполнительных сильфо- нов шток 24 вместе с закрепленными на нем подвижными направляющими 25 начинает двигаться по направлению к центру шестиугольника (фиг.З и 4). Поскольку последние скользят с двух сторон ленты 26, перекинутой через неподвижную направляющую 27. то постепенно длина каждой стороны барьера 1 уменьшается. При этом барьер 1 сжимается, и площадь его также начинает уменьшаться. Процесс сжатия планки контролируется с помощью весов 19 Вилыельми (фиг.1). Как только поверхностное давление вещества достигает необходимой величины, сжатие барьера прекращается. После этого с ЭВМ 21 через блок 20 связи начинают поступать управляющие сигналы по направлениюдвижения, включению/выключению и по скорости движения подложки 9. Сигналы поступают на генератор 18, который вырабатывает соответствующие импульсы с необходимой длительностью и частотой. С учетом последних блок 15 управления обеспечивает поворот вала шагового электродвигателя 13 на необходимое число оборотов. Это вызывает сжатие приводного сильфонэ 11 и, как следствие, приводит в действие исполнительный сильфон 8 подложки 9. Последняя погружается в раствор, а затем вынимается из него

Величина шага барьера AS является 5 разностью между исходной S0 и полученной S площадью барьера (в результате этого шага), т.е. AS So -S (фиг.6). Сама величина шага барьера может изменяться в следующих пределах:

0 0,1 мм2 AS 1 мм2.

При мм2 получить качественную пленку невозможно, так как при таком резком сжатии нарушается термодинамическое равноёесие пленки. В условие

5 сохранения термодинамического равновесия в процессе сжатия я вляется основным условием получения качественной пленки.

При A S 0,1 мм2 процесс сжатия будет очень длительным по времени. При этом в

0 монослое вещества могут происходить необратимые изменения вследствие ее агрегатирования, и пленка вещества распадается на отдельные фрагменты. Сжатие в этом случае уже не дает возможность получить

5 качественную пленку.

Максимальная площадь барьера 1 ограничена следующим фактором. При большой величине радиуса барьера г для получения изменения AS в указанных пределах необ0 ходимо изменять радиус барьера г на очень небольшую величину. В пределе эта величина ограничена амплитудой тепловых флуктуации материала барьера.

Традиционным материалом для барье5 ра является тефлон, коэффициент линейного теплового расширения которого равен а 0,25 10-6 град 1. При условии нестабильности температуры окружающей среды в два градуса и с учетом кольцевой формы

0 барьера 1 получим, что изменение радиуса барьера 1 вследствие тепловых флуктуации последнего может достигать величины

-&-i-7WM

5 Тогда, принимая -S м2 и решая систему уравнений (фиг.5):

50

; AS 2лрд

получим, что максимальная площадь барьера в этом случае будет равна 5 5макс 12м2.

Минимальная площадь барьера 1 ограничена следующими факторами: это толщина самой подложки минимальное расстояние отдатчика весов Вилыельми (который также погружен в раствор) до подложки Ар2 3 мм; а также минимальное расстояние от датчика весов Вильгельми до края барьера мм (рассматривается идеальный случай, когда датчик весов Вильгельми расположен перпедикулярно направлению сжатия барьера). Суммируя, получим минимальную величину радиуса барьера R барьера ARi+ AR2+ А . Площадь в этом случае будет равна Змин барьера ж.ф. 192 мм2. Данная величина представляет собой площадь барьера в жидкокристаллической базе (т.е. после сжатия). С учетом того, что площадь одной молекулы в жидкокристаллической фазе Зм.ж.ф. 400 А , получим общее чило молекул, приходящихся на данную площадь барьера . б.ж.ф./Зм.ж.ф. 10 .

Затем, умножив эту величину на площадь одной молекулы в газовой фазе Зм.г.ф. 700 А , получим окончательную величину минимальной площади барьера в газовой фазе (т.е. до сжатия):

Змик. б.г.ф. 3м.г.ф. N 7 103 (мм2).

Равномерность сжатия монослоя прямо зависит от числа сторон многоугольника барьера. При обеспечить нескомпенсированное сжатие практически невозможно, так как барьер 1 в этом случае будет иметь недостаточное число сторон, и как следствие, большую длину каждой стороны. С другой стороны, увеличение числгГ сторон барьера 1 улучшает равномерность сжатия монослоя.

8 этом случае максимально достижимое число сторон будет определяться предельными техническими параметрами (в том числе и геометрическими) исполнительных устройств.

В конкретном примере практической реализации размеры исполнительных силь- фонов барьера 40x40x75 мм, исполнительного сильфона подложки 64x64x170 мм, внутренний диаметр ванны 180 мм, глубина ванны 30 мм. Ширина гибкой ленты 15 мм, толщина 0,4 мм. Максимальный диапазон смещения штока 24 с закрепленными на

нем подвижными направляющими 25 у исполнительных сильфонов барьеров 40 мм; у штока исполнительного сильфона подложки 150 мм. Начальное расстояние между неподвижными и подвижными направляющими 40 мм.

В системе КАМАК используются стандартные блоки: в качестве блоков управления шаговыми двигателями - модули

управления типа МУЩД; в качестве генераторов - таймеры типа 732 А; в качестве блока связи с ЭВМ - крейт-контроллер типа 180 А, шаговые электродвигатели - типа ДШИ- 200.

Таким образом, использование изобретения позволяет резко уменьшить неоднородность поверхностного давления моносяоя и, как следствие, получить качественную мономолекулярную пленку, дает

возможность использовать различные ванны (многократно или однократно), вследствие того, что барьер механически с ванной не связан.

Формула изобретения

Подвижный барьер для получения монослоев методом Ленгмюра-Блоджетта, содержащий замкнутую гибкую ленту, огибающую подвижные и неподвижные направляющие с образованием барьера в виде многоугольника, отличающийся тем, что, с целью повышения качества монослоев путем обеспечения равномерности их сжатия, число сторон многоугольника выбрано по меньшей мере равным шести, причем в вершинах многоугольника лента смонтирована с образованием вытянутой петли, огибающей неподвижную направляющую, у основания каждой петли расположены поджатые к ленте с двух сторон две подвижные направляющие, размещенные на равном расстоянии от неподвижной направляющей, а подвижные направляющие смонтированы с возможностью возвратнопоступательного перемещения в радиальном направлении от неподвижной направляющей к центру многоугольника.

Г

L

/ff

o

ч

I

i А- л.

r

//

i

i i i1

Фи.2

22

фиэ.6