С тех пор, как сборка Ленгмюра-Блоджетт впервые появилась более 80 лет назад, было продемонстрировано множество приложений. Однако сама техника и сопутствующие процедуры остались в основном неизменными.Теперь Цзясин Хуан из Northwestern Engineering усовершенствовал свою старую технику. Распыляя материалы на поверхности воды электрораспылением, он нашел способ избежать использования токсичных органических растворителей, сделав сборку Ленгмюра-Блоджетт более эффективной, более простой для стандартизации и более безопасной для масштабирования.
«Использование органических растекающихся растворителей вызывает множество проблем, особенно когда люди используют эту технику для сборки тонких пленок из наноматериалов», — сказал Хуанг, доцент кафедры материаловедения и инженерии Инженерной школы Маккормика Северо-Западного университета. «Наночастицы обычно трудно диспергировать, и они даже могут быть повреждены растворителями, что приводит к низкому качеству конечных тонких пленок в виде монослоя».Теперь доступный в Интернете документ с описанием исследования Хуанга был опубликован в Журнале Американского химического общества (JACS).По сравнению с другими технологиями изготовления тонких пленок, сборка Ленгмюра-Блоджетт имеет уникальные преимущества, включая точный контроль над плотностью упаковки в монослое, которая может складываться в стопку для формирования пленок с точным числом слоев.
Однако это работает только в том случае, если наночастицы хорошо диспергированы как в растекающихся растворителях, так и на поверхности воды.«Это довольно сложно», — сказал Хуан. «Для того, чтобы наночастицы хорошо диспергировались на поверхности воды и в этих ненавистных к воде растворителях, требуется очень тонкий баланс поверхностных свойств».«Есть и другие проблемы», — сказал Хуа-Ли Не, бывший научный сотрудник лаборатории Хуана из Университета Дунхуа и первый автор статьи. «Наночастицы, изготовленные из полимеров, органических соединений или биологических материалов, имеют тенденцию быть поврежденными в органических распространяющихся растворителях».«Эти летучие органические растворители также представляют угрозу безопасности», — добавил Хуанг. «Когда мы думаем о производстве, становится проблематично».
«Люди придумали много уловок, чтобы справиться с проблемой тонущих частиц», — сказал Хуанг. «Один из способов — очень осторожно диспергировать этанол на поверхности воды, чтобы избежать чрезмерного перемешивания, но при этом остается много потерянного материала».Группа Хуанга даже использовала эту стратегию для демонстрации сборки Ленгмюра-Блоджетт листов оксида графена, которая была представлена на обложке JACS в 2009 году.Хуанг обнаружил, что он может предотвратить смешивание растворителя с водой, нанеся его с помощью аэрозольного баллончика.
Спрей разбивает растворитель, содержащий наночастицы, на миллионы более мелких капель.«Если уменьшить размер капель до микронного диапазона, они не будут« бомбардировать »поверхность воды», — сказал Хуанг. «Подумайте об увлажнителе: капли воды плавают, потому что они не очень чувствительны к силе тяжести».Что еще более важно, из-за их очень маленького объема, когда капли растекаются по воде, они сразу же потребляются. «Смешивание с водой подавляется, потому что нечего смешивать», — сказал Хуан.С электрораспылением не нужно полагаться на «умелые руки», чтобы выполнить хорошую сборку Ленгмюра-Блоджетт.
Хуанг сказал, что электрораспыление можно автоматизировать, чтобы стандартизировать и расширить масштабы этой технологии для производства. Это не только сэкономит время и деньги, но и станет намного безопаснее. Многие из широко используемых органических растворителей, таких как хлороформ, токсичны. Для этого требуется, чтобы водосборник содержался в контролируемой среде, строительство и обслуживание которой может быть дорогостоящим и опасным.
Теперь исследователи могут выбрать в качестве растворителя любую доброкачественную жидкость.«Мы расширили возможности для сборки Ленгмюра-Блоджетт», — сказал Хуанг. «Очень простая идея — уменьшение размера капли — решила давнюю проблему для старой, но популярной техники».