Le tecniche Langmuir (L) e Langmuir-Blodgett (LB) consentono di fabbricare e caratterizzare film sottili di singole molecole con un controllo sulla densità di impacchettamento.
Un film di Langmuir è definito come un monostrato di molecole organiche anfifiliche immerso in soluzione acquosa, all’interfaccia gas-liquido o liquido-liquido. Quando uno o più monostrati sono depositati su una superficie solida, si parla di film di Langmuir-Blodgett (nel caso di deposizione verticale) o film di Langmuir-Schaefer (nel caso di deposizione orizzontale). Il nome deriva da coloro che sono considerati i pionieri della ricerca in questo ambito, Irving Langmuir e Katharine Blodgett, che all’inizio del XX secolo fecero i primi studi sistematici sui monostrati galleggianti sull’acqua. Nel 1932 Irving Langmuir ricevette il Premio Nobel per il suo lavoro sulla chimica delle superfici.
Figura 1. Principio di Langmuir
Figura 2. Deposizione di Langmuir-Blodgett (a destra) o di Langmuir-Schaefer (a sinistra)
Le tecniche Langmuir e Langmuir-Blodgett offrono uno strumento unico per studiare le proprietà fisico-chimiche fondamentali dei monostrati, i fenomeni all’interfaccia aria-acqua e la possibilità di imitare i fenomeni biologici. I monostrati di Langmuir si sono rivelati particolarmente utili nello studio delle membrane cellulari, poiché gli strati possono essere utilizzati come modelli di membrana. I primi film di Langmuir prodotti erano lipidi con parti idrofile e idrofobe, oggi è noto che il LB può essere utilizzato anche per depositare altri tipi di sostanze, come le nanoparticelle, e produrre film sottili altamente organizzati. Il trasferimento di film sottili su una matrice solida consente di sfruttarne le proprietà in una serie di applicazioni tecnologiche.
Inoltre, nel corso degli anni, diverse tecniche di caratterizzazione come la microscopia ad angolo di Brewster (BAM), il potenziometro di superficie, la spettroscopia infrarossa e gli strumenti reologici interfacciali sono stati combinati con il monostrato di Langmuir per fornire maggiori informazioni sulle strutture degli strati.
Figura 3. Storia di Langmuir e di Langmuir-Blodgett
Fabbricazione del film di Langmuir
Un sistema per la creazione di film sottili con la tecnica di Langmuir è costituito da una serie di barriere, un trogolo e un sensore di pressione superficiale come standard. Nel caso di un sistema LB si aggiunge e un meccanismo di immersione. Il trogolo contiene la fase acquosa e su di essa è depositata la soluzione anfifilica che si diffonde rapidamente per coprire l’area disponibile. Quando il solvente evapora, si forma un monostrato all’interfaccia aria-acqua e si crea un film di Langmuir. Le barriere, controllate dal software e situate all’interfaccia, comprimono il monostrato fino a quando un sensore di pressione superficiale indica la massima densità di impaccamento. La deposizione del monostrato su un supporto solido viene effettuata con un meccanismo di immersione che trattiene il substrato solido e consente cicli di deposizione controllati.
La sperimentazione con i trogoli di Langmuir consente di dedurre e comprendere come particolari molecole si impacchettano quando sono confinate in due dimensioni. L’isoterma pressione-area superficiale può anche fornire una misura dell’area media per molecola e della comprimibilità del monostrato.
Figura 4. Isoterme pressione-area superficiale di un film di Langmuir
Deposizione di film di Langmuir-Blodgett – La soluzione per creare rivestimenti di nanoparticelle
Il cuore della tecnologia L e LB consiste nell’eseguire una deposizione LB controllata in cui i film di Langmuir vengono trasferiti su superfici solide conservando la densità, lo spessore e l’omogeneità del campione. Questa capacità è particolarmente importante quando si lavora con nanoparticelle che sono tradizionalmente difficili da depositare in modo controllato. Rispetto ad altre tecniche di deposizione di film sottili organici, la LB è meno limitata dalla struttura molecolare della molecola funzionale e spesso è l’unica tecnica che può essere utilizzata per l’assemblaggio bottom-up. La deposizione ripetuta può essere ottenuta per ottenere multistrati ben organizzati sul substrato solido. I cicli LB e LS possono anche essere combinati per ottenere strutture e spessori desiderati.
Figura 5. Varie alternative di deposizione LB su substrati idrofobici e idrofili.
Tra i diversi parametri che influenzano il tipo di film LB prodotto sono inclusi: la natura del film di diffusione, la composizione della sottofase e la temperatura, la pressione superficiale durante la deposizione e la velocità di deposizione, il tipo e la natura del substrato solido e il tempo di permanenza del substrato solido in aria o nella sottofase tra i cicli di deposizione.
Caratterizzazione dei film di Langmuir-Blodgett
Molte proprietà dei film LB dipendono dalle proprietà del film di Langmuir da cui sono stati creati. I film LB possono essere caratterizzati per ottenere ulteriori informazioni e verificare la qualità della deposizione. I film di Langmuir fabbricati in un trogolo di Langmuir possono essere studiati analizzando le isoterme di pressione superficiale, le isocore e altri dati misurati con il trogolo o con uno strumento di caratterizzazione complementare. Le tecniche di caratterizzazione complementari più diffuse comprendono la microscopia ad angolo di Brewster (per la visualizzazione dei film), la spettrometria FTIR come PM-IRRAS (per la determinazione dell’orientamento e della composizione chimica), la reologia a taglio interfacciale (per le proprietà viscoelastiche), il rilevamento del potenziale superficiale (per la determinazione dei cambiamenti di impaccamento e orientamento), la spettroscopia vibrazionale, la spettroscopia di assorbanza UV-VIS e la riflettometria a raggi X.