Слой за слоем
Послойное нанесение ( LbL ) — это метод изготовления тонких пленок . Пленки формируются путем осаждения чередующихся слоев противоположно заряженных материалов с промывкой между ними. Этого можно достичь с помощью различных методов, таких как погружение, вращение, распыление, электромагнетизм или струйная техника. [1]
Разработка
[ редактировать ]Первую реализацию этой техники приписывают Дж. Дж. Киркланду и Р. К. Илеру из компании DuPont , которые осуществили ее с использованием микрочастиц в 1966 году. [2] Позднее этот метод был возрожден благодаря открытию применимости к широкому спектру полиэлектролитов из Геро Дехера его Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце . [3]
Выполнение
[ редактировать ]Простое представление можно сделать, определив два противоположно заряженных полииона как + и - и определив этап промывки как W. Чтобы сделать пленку LbL с 5 бислоями, нужно нанести W+W-W+W-W+W-W+ W-W+WW, что приведет к созданию пленки с 5 двухслойными слоями, а именно + - + - + - + - + - .
Представление о методике LbL как о многослойном наращивании, основанном исключительно на электростатическом притяжении, является упрощением. В этом процессе участвуют и другие взаимодействия, в том числе гидрофобное притяжение. [4] Многослойное наращивание обеспечивается за счет совместного действия нескольких сил притяжения, что типично для строительных блоков с высокой молекулярной массой, в то время как электростатическое отталкивание обеспечивает самоограничение поглощения отдельных слоев. Этот диапазон взаимодействий позволяет распространить метод LbL на пленки с водородными связями. [5] наночастицы, [6] одноименно заряженные полимеры, гидрофобные растворители, [7] и другие необычные системы. [8]
Этапы нанесения двух слоев и промывки могут быть выполнены разными способами, включая нанесение покрытия погружением , нанесение центрифугированием , нанесение покрытия распылением , методы, основанные на потоке, и электромагнитные методы. [1] Метод приготовления существенно влияет на свойства получаемых пленок, позволяя реализовать различные применения. [1] Например, с помощью напылительной сборки был покрыт весь автомобиль, с помощью спин-сборки изготовлены оптически прозрачные пленки и т. д. [1] Характеристика осаждения пленки LbL обычно выполняется с помощью оптических методов, таких как интерферометрия с двойной поляризацией или эллипсометрия , или механических методов, таких как кварцевые микровесы . [ нужна ссылка ]
LbL предлагает несколько преимуществ по сравнению с другими методами осаждения тонких пленок . LbL прост и может быть недорогим. Существует широкий спектр материалов, которые можно осаждать с помощью LbL, включая полиионы, металлы, керамику, наночастицы и биологические молекулы. Еще одним важным качеством LbL является высокая степень контроля толщины, возникающая благодаря переменному профилю роста пленок, который напрямую коррелирует с используемыми материалами, количеством бислоев и технологией сборки. [1] Поскольку каждый бислой может иметь толщину до 1 нм, этот метод позволяет легко контролировать толщину с разрешением 1 нм.
Приложения
[ редактировать ]LbL нашел применение [1] при очистке белков, [9] борьба с коррозией, (фото)электрокатализ, [10] биомедицинские приложения, [11] сверхпрочные материалы, [12] и многое другое. [13] LbL-композиты из оксида графена стали предвестниками появления в дальнейшем многочисленных композитов графена и оксида графена. [14] Первое использование композитов с восстановленным оксидом графена для литиевых батарей также было продемонстрировано с помощью многослойных LbL. [15]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Джей Джей Ричардсон; и др. (2015). «Технология послойной сборки нанопленок» . Наука . 348 (6233): 6233. doi : 10.1126/science.aaa2491 . hdl : 11343/90861 . ПМИД 25908826 .
- ^ Джей Джей Киркланд (1965). «Пористые тонкослойные модифицированные стеклянные шарики для газожидкостной хроматографии». Аналитическая химия . 37 (12): 1458. doi : 10.1021/ac60231a004 . Р.К. Илер (1966). «Многослойные коллоидные частицы». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 21 (6): 569. Бибкод : 1966JCIS...21..569I . дои : 10.1016/0095-8522(66)90018-3 .
- ^ Геро Дешер; Чон-Даль Хонг (1991). «Создание ультратонких многослойных пленок методом самосборки, последовательной адсорбции анионных и катионных биполярных амфифилов на заряженных поверхностях». Макромолекулярные симпозиумы . 46 : 321. дои : 10.1002/masy.19910460145 .
- ^ Николай А. Котов (1999). «Послойная самосборка: вклад гидрофобных взаимодействий». Наноструктурированные материалы . 12 (5–8): 789. doi : 10.1016/S0965-9773(99)00237-8 .
- ^ Андре Лашевски; Эрик Вишерхофф; Штеффен Дензингер; Хельмут Рингсдорф; Арно Делькорт; Патрик Бертран (1997). «Молекулярное распознавание по водородным связям в многослойных полиэлектролитах». Химия: Европейский журнал . 3 : 34. doi : 10.1002/chem.19970030107 .
- ^ Николай Алексеевич Котов; Имре Декани; Янош Х. Фендлер (1995). «Послойная самосборка композитных пленок полиэлектролит-полупроводник наночастицы». Журнал физической химии . 99 (35): 13065. doi : 10.1021/j100035a005 .
- ^ Юзуру Симадзаки; Масая Мицуиси; Синдзабуро Ито; Масахидэ Ямамото (1997). «Получение послойно нанесенной ультратонкой пленки на основе взаимодействия с переносом заряда». Ленгмюр . 13 (6): 1385. doi : 10.1021/la9609579 .
- ^ Нейла Чини; Тюлай Тулун; Геро Дешер; Винсент Болл (2010). «Пошаговая сборка самоструктурирующихся полиэлектролитных пленок с нарушением (почти) всех правил послойного нанесения». Журнал Американского химического общества . 132 (24): 8264–5. дои : 10.1021/ja102611q . ПМИД 20518535 .
- ^ Лю, Вэйцзин (2016). «Послойное осаждение полимеров, содержащих нитрилотриацетат, удобный способ изготовления пленок, связывающих металлы и белки». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 8 (16): 10164–73. дои : 10.1021/acsami.6b00896 . ПМИД 27042860 .
- ^ Чон, Дасом; Ким, Хёну; Ли, Чолмин; Хан, Юджин; Гу, Минсу; Ким, Бён Су; Рю, Чонки (22 ноября 2017 г.). «Послойная сборка полиоксометаллатов для фотоэлектрохимического (ПЭК) расщепления воды: на пути к модульным устройствам ПЭК». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 9 (46): 40151–40161. дои : 10.1021/acsami.7b09416 .
- ^ Хуа Ай; Стивен А. Джонс; Юрий Михайлович Львов (2003). «Биомедицинское применение электростатической послойной наносборки полимеров, ферментов и наночастиц». Клеточная биохимия и биофизика . 39 (1): 23–43. дои : 10.1385/CBB:39:1:23 . ПМИД 12835527 .
- ^ Zhiyong Tang; Nicholas A. Kotov; Sergei Magonov; Birol Ozturk (2003). "Nanostructured artificial nacre". Nature Materials . 2 (6): 413–8. Bibcode : 2003NatMa...2..413T . doi : 10.1038/nmat906 . PMID 12764359 .
- ^ Дешер, Геро (2012). Многослойные тонкие пленки – последовательная сборка нанокомпозитных материалов, т. 2 . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH.
- ^ Котов, Николай А.; Декани, Имре; Фендлер, Янош Х. (1 августа 1996 г.). «Ультратонкие композиты оксид графита и полиэлектролита, полученные методом самосборки: переход между проводящим и непроводящим состояниями». Продвинутые материалы . 8 (8): 637–641. Бибкод : 1996АдМ.....8..637К . дои : 10.1002/adma.19960080806 . ISSN 1521-4095 .
- ^ Фендлер, Янош Х. (1 января 1999 г.). «Коллоидно-химический подход к созданию литий-ионных аккумуляторных батарей высокой плотности энергии». Журнал дисперсионной науки и технологий . 20 (1–2): 13–25. дои : 10.1080/01932699908943776 . ISSN 0193-2691 .