Film di Langmuir-Blodgett
Seminario per il corso di Bioelettronica
A cura dell’Ing. Giorgio Mattana, PhD Student
Overview
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Chi sono Langmuir e Blodgett?
FLB: premessa.
FLB: definizione.
FLB: preparazione.
FLB: caratterizzazione.
FLB: applicazioni.
Chi sono Langmuir e Blodgett?
collaboratori di
ricerca negli anni
Trenta
Irving Langmuir (1881 – 1957)
Katherine Blodgett (1898 – 1979)
- ingegnere, fisico e chimico americano;
- premio Nobel per la Chimica (1932);
- fisico e chimico americano;
FLB: premessa
Dipolo elettrico elementare: sistema costituito da una coppia di
cariche elettriche puntiformi uguali in modulo di valore q, di segno
opposto e poste ad una distanza r.
-
r
La
grandezza
che
maggiormente
caratterizza il comportamento fisico del
dipolo è il cossiddetto “momento di
dipolo”.
+
r
r
p = qr
FLB: premessa
Anche oggetti più complessi, come ad esempio le molecole
possono essere ricondotte a dei dipoli elettrici elementari.
H
δ+
δ
O
H
δ
+
-
FLB: premessa
In altre molecole invece, non esiste un momento di dipolo
permanente: tali molecole sono dette apolari.
H
H
non si ha la formazione di cariche
(neanche parziali)
-
δ
δ
δ
O
C
O
-
+
si ha la formazione di cariche
MA tali cariche non sono sbilanciate
(momento di dipolo nullo)
FLB: premessa
Perché è importante conoscere la polarità di una molecola?
Tra le altre cose, perché determina la sua solubilità/insolubilità in
certi tipi di solvente.
“il simile scioglie il simile”
+
permanganato di potassio K+ (MnO4) -
acqua
FLB: premessa
Perché è importante conoscere la polarità di una molecola?
Tra le altre cose, perché determina la sua solubilità/insolubilità in
certi tipi di solvente.
“il simile scioglie il simile”
FLB: premessa
Cosa succede quando tentiamo di mischiare due sostanze non “compatibili
polarmente”?
+
olio (NON polare)
acqua (polare)
FLB: premessa
Cosa succede quando tentiamo di mischiare due sostanze non “compatibili
polarmente”?
Le due sostanze non si mischiano e formano due strati sovrapposti e ben distinti,
che si possono separare facilmente.
FLB: premessa
Esistono delle molecole che possono esibire sia un comportamento polare che un
comportamento apolare?
molecole anfifiliche (o anfipatiche)
δ+
Parte polare
δ
-
Parte
apolare
FLB: premessa
Esempio di molecole anfifiliche (1/2 ): SAPONE
sapone
sporco
FLB: premessa
Esempio di molecole anfifiliche (2/2 ): FOSFOLIPIDI
FLB: premessa
Esempio di molecole anfifiliche (2/2 ): FOSFOLIPIDI
FLB: definizione
Un film di Langmuir-Blodgett è una struttura costituita da uno o più
strati (layer) di molecole organiche anfifiliche trasferite dalla
superficie di un liquido (in genere una soluzione acquosa) su un
substrato solido, per immersione del solido nel liquido o per
emersione del solido dal liquido.
ATTENZIONE! I film di Langmuir-Blodgett non devono essere confusi
con i film di Langmuir sebbene, in modo del tutto errato, queste due
espressioni siano utilizzate a volte dagli stessi scienziati come
sinonimi.
Un film di Langmuir è semplicemente uno strato monomolecolare di
molecole insolubili (non necessariamente anfifiliche!) che galleggia
sulla superficie di una soluzione acquosa.
FLB: preparazione
Come si ottiene un film di Langmuir-Blodgett?
Il punto di partenza è costituito da un solvente (in genere a base acquosa o comunque
polare) in cui è disciolta una sostanza anfifilica.
FLB: preparazione
Il trasferimento del film avviene in genere utilizzando un’apparecchiatura chiamata
Langmuir-Blodgett trough, schematizzata in figura:
1) film anfifilico;
2) soluzione acquosa;
3) contenitore;
4) substrato solido;
5) meccanismo di immersione;
6) Whilelmy plate;
7) elettrobilancia;
8) barriera;
9) motore della barriera;
10) meccanismo anti-vibrazione;
11) clean room;
FLB: preparazione
La barriera spinge lentamente le molecole del film compattandole e
guidandole verso il substrato solido.
Il substrato solido (idrofilico) viene calato all’interno del liquido e
lentamente estratto (oppure, al contrario, viene lentamente calato
all’interno del trough).
VV
VO
Il layer di molecole anfifiliche viene quindi trasferito
sul substrato solido.
FLB: preparazione
meccanismo di
immersione
motore della
barriera
pedana antivibrazioni
FLB: preparazione
barriere
film di
LangmuirBlodgett
FLB: wettability
In che modo si può spiegare l’adesione tra il FLB e il substrato?
concetto di bagnabilità (wettability)
Bagnabilità: capacità di un liquido di estendersi sulla superficie di
un solido e di lasciare su di essa una traccia.
Dipende sostanzialmente da due parametri:
1) tensione superficiale del liquido;
2) energie di interfaccia (elettrostatiche, di Van der Waals, etc.).
FLB: caratterizzazione
Principali tecniche di caratterizzazione
dei FLB:
1)X-ray diffraction;
2)Electron/neutron spectroscopy;
3)Infrared spectroscopy;
4)Optical microscopy (con luce polarizzata).
FLB: caratterizzazione
Spettroscopia: tecnica di indagine che consiste nello
studio dell’interazione tra un oggetto (materia) e la
radiazione elettromagnetica. La risposta dell’oggetto,
studiata al variare della frequenza, è costituita dalla
radiazione assorbita e da quella riflessa.
FLB: caratterizzazione
Alcuni tipi di spettroscopia utilizzati nella caratterizzazione dei FLB:
1) X – Ray diffraction: la radiazione incidente è costituita da fotoni di
energia compresa tra i 120 e i 120 keV;
2) IR diffraction: la radiazione incidente è costituita da fotoni di
energia compresa tra i 10-3 e 1 eV;
3) Optical spectroscopy: la radiazione incidente è costituita da fotoni
di energia compresa tra 1 e 3.8 eV;
4) Electron/neutron diffraction: la radiazione incidente è costituita da
un fascio di elettroni o neutroni (electron/neutron beam).
FLB: caratterizzazione
v
λ=
f
E = hf = h
v
λ
La lunghezza d’onda della radiazione incidente viene fatta variare
con continuità all’interno di un certo intervallo e si misura la
quantità di radiazione assorbita in funzione di λ.
FLB: caratterizzazione
Che informazioni si possono dedurre dall’analisi spettroscopica?
1) composizione chimica e natura dei legami della molecola;
2) forma, dimensioni e orientamento delle molecole:
FLB: caratterizzazione
3) studio della cristallinità del film;
4) studio delle proprietà dell’interfaccia film/substrato;
FLB: caratterizzazione
Altre tecniche di caratterizzazione:
1) Microscopia:
SEM
AFM
Informazioni sulla morfologia e la
cristallinità del film.
TEM
FLB: caratterizzazione
2) analisi elettrica:
Misure di conducibilità, di capacità, di
proprietà elettrochimiche...
3) analisi meccanica:
Misure di elasticità, resistenza
alla trazione...
FLB: applicazioni
Isolante di gate:
poly(1,1 – difluoroetene)
JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 107, 124119 2010
FLB: applicazioni
Diodi Schottky
Aluminium
Polymeric blend
ITO
SUBSTRATE
Synthetic Metals 90 (1997) 143-146
FLB: applicazioni
C60 (fullerene)
poly (alkyl-thiophene)
FLB: applicazioni
Film di LB usati come modello per simulare il comportamento delle membrane cellulari.
Studio dei canali ionici che attraversano la membrana fosfolipidica.
FLB: applicazioni
Preparazione di film fosfolipidici in cui sono state inserite delle molecole dette gramicidine
che si comportano da canali ionici.
Biophys. J. Biophysical Society Volume 59 April 1991 889-893
FLB: applicazioni
Sensoristica: misura della concentrazione di glucosio di una soluzione
acquosa.
P3HT
R. Singhal et al. / Current Applied Physics 3 (2003) 275–279
Acido stearico
FLB: applicazioni
glucose oxidase
P3HT + STEARIC ACID
SUBSTRATE
FLB: applicazioni
glucosio + O2
G.O.
D – glucono – δ – lattone + H2O2
P3HT + STEARIC ACID
SUBSTRATE
FLB: applicazioni
Preparazione e deposizione di substrati di coltura per la crescita di
cellule e tessuti.
LB deposition
drop casting
Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 32, 425-432 (1996)
Film di Langmuir Blodgett
Grazie per l’attenzione!
Domande?
