Monocapa

Una monocapa es una sola capa muy compacta de átomos, moléculas o células. En algunos casos se denomina monocapa autoensamblada. Las monocapas de cristales en capas como el grafeno y el disulfuro de molibdeno generalmente se denominan materiales 2D.

Química

Diagrama de moléculas ambifílicas flotando sobre una superficie de agua.

Una monocapa Langmuir o monocapa insoluble es una capa de una molécula de espesor de un material orgánico insoluble que se extiende sobre una subfase acuosa en un canal Langmuir-Blodgett. Los compuestos tradicionales utilizados para preparar las monocapas de Langmuir son materiales anfifílicos que poseen un grupo de cabeza hidrofílico y una cola hidrofóbica. Desde la década de 1980, se ha empleado una gran cantidad de otros materiales para producir monocapas de Langmuir, algunas de las cuales son semianfifílicas, incluidas nanopartículas poliméricas, cerámicas o metálicas y macromoléculas como polímeros. Las monocapas de Langmuir se estudian ampliamente para la fabricación de películas de Langmuir-Blodgett (películas LB), que están formadas por monocapas transferidas sobre un sustrato sólido. Una monocapa de Gibbs o monocapa soluble es una monocapa formada por un compuesto soluble en una de las fases separadas por la interfase sobre la que se forma la monocapa.

Tiempo de formación

El tiempo de formación de monocapa o tiempo de monocapa es el tiempo necesario, en promedio, para que una superficie quede cubierta por un adsorbato, como el oxígeno adherido a agua fresca. aluminio. Si el adsorbato tiene un coeficiente de adherencia unitario, de modo que cada molécula que llega a la superficie se adhiere a ella sin volver a evaporarse, entonces el tiempo de monocapa es muy aproximado:

t=3× × 10− − 4Pa⋅ ⋅ sP{displaystyle t={frac {3times 10^{-4},mathrm {Pa} cdot mathrm {s} } {P}

donde t es el tiempo y P es la presión. Se tarda aproximadamente 1 segundo en cubrir una superficie a una presión de 300 µPa (2×10⁻⁶ Torr).

Fases monocapa y ecuaciones de estado

Un monocapa de Langmuir puede ser comprimido o ampliado modificando su área con una barrera en movimiento en un balance de película Langmuir. Si la tensión superficial de la interfaz se mide durante la compresión, una compresión isotherm se obtiene. Este isotérmico muestra la variación de la presión superficial (▪ ▪ =γ γ o− − γ γ {displaystyle Pi =gamma ^{o}-gamma }, donde γ γ o{displaystyle gamma ^{o} es la tensión superficial de la interfaz antes de que se forme el monocapa) con el área (el inverso de la concentración de superficie .. − − 1{displaystyle Gamma ^{-1}). Es análogo con un proceso 3D en el que la presión varía con volumen.

Se puede detectar una variedad de fases bidimensionales, cada una separada por una transición de fase. Durante la transición de fase, la presión de la superficie no cambia, pero el área sí, al igual que durante las transiciones de fase normales, el volumen cambia pero la presión no. Las fases 2D, en orden creciente de presión:

• Gas bidimensional: hay pocas moléculas por unidad de área, y tienen pocas interacciones, por lo tanto, análogas de las ecuaciones de estado para gases 3D se pueden utilizar: Derecho de gas ideal ▪ ▪ A=RT{displaystyle Pi A=RT}, donde A{displaystyle A} es el área por topo. A medida que aumenta la presión superficial, se necesitan ecuaciones más complejas (Van der Waals, virial...)
• líquido ampliado
• líquido comprimido
• Sólido

Si el área se reduce aún más una vez que se ha alcanzado la fase sólida, se produce el colapso, la monocapa se rompe y se forman agregados solubles y multicapas.

Las monocapas de Gibbs también siguen ecuaciones de estado, que se pueden deducir de la isoterma de Gibbs.

• Para soluciones muy diluidas γ γ =γ γ o− − mC{displaystyle gamma =gamma ¿Qué?, a través de Gibbs isotherm otra analogía de la ley del gas ideal se alcanza ▪ ▪ =.. RT{displaystyle Pi =Gamma RT}
• Para soluciones más concentradas y aplicación Langmuir isotherm .. =.. maxCa+C{displaystyle Gamma =Gamma _{max }{frac {C}{a+C}}, por lo tanto ▪ ▪ =.. maxRT()1+Ca){displaystyle Pi =Gamma _{max }RTleft(1+{frac {C}right)}

Aplicaciones

Las monocapas tienen multitud de aplicaciones tanto en las interfases aire-agua como aire-sólido.

Las monocapas de nanopartículas se pueden utilizar para crear superficies funcionales que tengan, por ejemplo, propiedades antirreflectantes o superhidrofóbicas.

Las monocapas se encuentran con frecuencia en biología. Una micela es una monocapa, y la estructura bicapa lipídica de fosfolípidos de las membranas biológicas es técnicamente dos monocapas. Las monocapas de Langmuir se usan comúnmente para imitar la membrana celular para estudiar los efectos de los productos farmacéuticos o las toxinas.

En cultivo celular, una monocapa se refiere a una capa de células en la que ninguna célula crece sobre otra, pero todas crecen una al lado de la otra y, a menudo, se tocan entre sí en la misma superficie de crecimiento.