Курсовая работа разработка автоматизированной установки для получения мономолекулярных слоев по технологии ленгмюра-блоджетт на полимерных подложках неограниченной длины (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра радиофизики и нанотехнологий

КУРСОВАЯ РАБОТА

Разработка автоматизированной установки для получения мономолекулярных слоев по технологии Ленгмюра-Блоджетт на полимерных подложках неограниченной длины

Работу выполнил ________________________

Магистратура, Курс 1

Направление 03.04.03 Радиофизика

Научный руководитель

канд. хим. наук, доцент __________________________________

Нормоконтролер

канд. хим. наук, доцент __________________________________

Краснодар 2015

РЕФЕРАТ

Курсовая работа  35 с., 14 рис., 0 таб., 12 источников.

Установка ленгмюра-блоджетт, модернизированная установка ленгмюра-блоджетт, п-ОБРАЗНЫЕ БАРЬЕРЫ, Автоматизация производства, лентопротяжный механизм, модульный принцип построения, Координатная система распределения.

Объектом данной работы была установка для получения мономолекулярных пленок методом Ленгмюра-Блоджетт. Предметом работы являлось усовершенствование существующей установки до промышленного образца.

Основной целью работы являлось разработка автоматизированной установки для создания мономолекулярных пленок Ленгмюра-Блоджетт в промышленных масштабах.

В ходе выполнения поставленных задач в данной работе был произведен анализ литературы на наличие информации о разработках установок получения мономолекулярных пленок и систем их автоматизации.

Так же была выделена концепция построения установки по конвеерному принципу и модульному принципу. Были проработаны устройство барьеров, системы подачи и слива субфазной жидкости, система подачи рабочего раствора на поверхность раздела фаз, лентопротяжный механизм, система термостатирования,

СОДЕРЖАНИЕ

Введение        4

1 Пленки Ленгмюра-Блоджетт и их свойства.        6

2 Методы и способы получения пленок Ленгмюра-Блоджетт        9

2.1 Метод  Ленгмюра-Блоджетт        9

2.2 Метод Лэнгмюра — Шефера        13

2.3 Метод получения монослоев в электрическом поле        15

3 Принципы работы установок, основные типы и их классификация        17

3.1 Принципы работы установок        17

3.2 Установки Ленгмюра-Блоджетт с прямоугольной ванной        21

3.3 Установки Ленгмюра-Блоджетт с круговой ванной        23

3.4 Установка для получения монослоев в электрическом поле        25

4 Промышленная установка Ленгмюра-Блоджетт. Характеристика устройства и принципа работы        28

4.1 Система ванн        28

4.2 Система поддержания температуры ванн        29

4.3 Система барьеров        30

4.4 Система дозировки ПАВ        31

4.5 Принцип работы промышленной установки Ленгмюра-Блоджетт        32

Заключение        33

Список использованных источников        34

ВВЕДЕНИЕ

Различные типы наноматериалов в последние годы активно изучаются, и одним из известных разновидностей материалов являются пленки Ленгмюра-Блоджетт. Ленгмюра-Блоджетт или Метод Ленгмюра-Блоджетт это технология получения моно - и полимолекулярных пленок путем переноса на поверхность подложки монослоев амфифильных соединений, образующихся на поверхности жидкости [1]. Физические и химические свойства подобных упорядоченных структур в настоящее время активно исследуются, что связано с возможностью их применения в аналитической химии и экологии (химические сенсоры), биотехнологиях [2] и медицине (мембраны, биосенсоры), оптике (светотрансформирующие покрытия), а также в молекулярной и наноэлектронике (интегральные элементы: транзисторы, диоды) [3]. Мономолекулярные слои используются в качестве модельных объектов [4] для изучения физических свойств упорядоченных двумерных структур. Метод позволяет изменять свойства поверхности монослоя и формировать качественные пленочные покрытия. Это возможно за счет точного контроля толщины получаемой пленки, однородности покрытия, низкой шероховатости и высокой, при подборе правильных условий, адгезии пленки к поверхности. Свойства пленок можно также легко варьировать, изменяя структуру полярной головки амфифильной молекулы, состав монослоя, а также условия выделения – состав субфазы и поверхностное давление. Метод Ленгмюра-Блоджетт [5] позволяет встраивать в монослой различные молекулы и молекулярные комплексы, в том числе и биологически активные. Основными интегральными элементами являются отдельные молекулы, входящие в состав упорядоченного ансамбля.

Существующие на данный момент различные виды установок в основном предназначены для использования в лабораторных условиях для получения единичных образцов и не подходят для их использования в объемах промышленного производства. Соответственно, актуальным является доработка существующей технологии Ленгмюра-Блоджетт.

Основной целью работы являлось разработка автоматизированной установки для создания мономолекулярных пленок Ленгмюра-Блоджетт в промышленных масштабах.

Основные задачи:

1. Изучение основных принципов работы установки Ленгмюра-Блоджетт.

2. Разработка общей схемы устройства.

3. Разработка систем, необходимых для реализации автоматической работы установки.

4. Компоновка всех систем для последующего изготовления устройства.

1 Пленки Ленгмюра-Блоджетт и их свойства

Ленгмюровские пленки или пленки Ленгмюра-Блоджетт представляют собой стопки мономолекулярных слоев поверхностно-активных веществ, перенесенных с водной поверхности на твердую подложку. Эти пленки являются квазидвумерными частично упорядоченными структурами и обладают уникальным набором электрических, магнитных, оптических и других свойств. Пленки Ленгмюра-Блоджетт имеют следующие важнейшие особенности [6]:

1 Они составлены из отдельных монослоев, толщина которых задана размером органической молекулы и ее ориентацией с точностью до долей ангстрема;

2 Пленки обладают резко выраженной анизотропией упорядочения молекул, и их свойства сильно различаются для продольного и поперечного направлений относительно нормали к пленке;

3 Молекулярный состав различных монослоев можно варьировать по желанию экспериментатора и таким образом создавать сложные молекулярные ансамбли, в которых каждая молекула имеет свое функциональное назначение.

Также отдельно стоит упомянуть о ряде физических свойств, которые заключаются в следующем:

1 Оптические свойства. Специфика упаковки органических молекул в монослое приводит к ряду интересных оптических эффектов. Так, например, по молекулярным агрегатам красителей экситонные возбуждения могут передаваться на значительные расстояния, где они затем захватываются молекулами-перехватчиками, целенаправленно введенными в монослои. Такого рода явления моделируют процессы в биологических структурах (фотосинтез) и могут применяться для очувствления поверхностей фотоматериалов. Модифицируя показатели преломления отдельных монослоев за счет введения в них атомов тяжелых металлов, можно искусственно создавать различные профили коэффициентов преломления многослойной структуры в целом, что представляет большой интерес для интегральной оптики.

2 Полярные структуры и сверхрешетки. В процессе переноса монослоев с поверхности воды на твердую подложку иногда удается сохранить одинаковую ориентацию их макроскопических дипольных моментов и получить полярную мультимолекулярную структуру. Такие структуры обладают всем набором свойств, характерных для твердых полярных кристаллов: пиро - и пьезоэффектом, электрооптическим эффектом, генерацией второй оптической гармоники. Чередуя монослои из различных молекул, можно делать сверхрешетки, имеющие различные периоды повторения ее структурных элементов (соразмерные или несоразмерные). Сверхрешетки обладают весьма необычными дифракционными свойствами в рентгеновском и оптическом диапазонах спектра.

3 Электрические свойства. В системе чередующихся монослоев донорных и акцепторных молекул возникает перенос заряда с донора на акцептор. Допирование этой системы молекулярным иодом снимает пайерлсовский запрет на проводимость, и возникает стопка проводящих слоев толщиной в несколько ангстрем каждый. Такие структуры весьма перспективны для изучения механизмов сверхпроводимости органических металлов. Один мономолекулярный слой выдерживает электрическое поле вплоть до 107 В/см и даже выше. Это связано с тем, что на толщине порядка 10-20 ангстрем даже в таком сильном поле носитель заряда не приобретает энергии более чем 1-2 эВ, чего недостаточно для создания дефектов структуры. Поэтому имеется возможность изучения эффекта Штарка и туннельного эффекта в условиях строго заданной молекулярной ориентации с соответствующей формой потенциального рельефа.

4 Другие свойства и применения. Поскольку молекулярная ориентация в пленках Ленгмюра-Блоджетт строго задана, появляется возможность проведения направленных или, как иногда говорят, векторных химических и фотохимических реакций. Очень важной представляется возможность полимеризации таких пленок, стабилизирующей их структуру и улучшающей механические свойства. Имеется также возможность эффективной записи информации оптическими методами или электронным лучом (электронная литография). Очень интересны применения ленгмюровских пленок в комбинации с традиционными транзисторными элементами, где пленки играют роль калиброванных диэлектрических прослоек или активных слоев, обеспечивающих чувствительность к внешним воздействиям (сенсоры).

2 Методы и способы получения пленок Ленгмюра-Блоджетт

2.1 Метод  Ленгмюра-Блоджетт

Вплоть до настоящего времени этот метод сохранился в том виде, в каком был предложен более полувека назад. Идея состоит в том, чтобы, сформировав монослой на поверхности воды в подходящем фазовом состоянии, многократно провести сквозь него твердую подложку, ориентированную вертикально.