Особенности формирования и характер межмолекулярных взаимодействий в тонких пленках организованных структур амфифильных полимеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Игнатов, Владимир Иванович

• Игнатов, Владимир Иванович
• кандидат химических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат химических наук Игнатов, Владимир Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Самоорганизация полимерной цепи в растворе и на поверхности жидкой субфазы.

1,1.!. Самоорганизация полимерных цепей в растворе.

1.1.2. Самоорганизация полимерных цепей на поверхности жидкой субфазы.

1.1.3. Формирование тонких полимерных структур на поверхности жидкости.

1.2. Самоорганизация полимерных цепей на твердой подложке.

1.3. Кислотно-основные взаимодействия тонких пленках полимера. 2.

1.3.1. Общие представления о характере кислотно-основных взаимодействий.

1.3.2. Краевые углы смачивания и кислотно-основные взаимодействия на поверхности тонких полимерных слоев.

II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1, Измерение параметров сжимаемости м оно молекулярных пленок.,.

2.1 Л. Калибровка прибора для определения параметров сжимаемости.,,.,.,.,.,.,,.

2.1.2. Подготовка прибора дня определения параметров сжимаемости мономолекулярных пленок.

2.1.3, Приготовление раствора полимера.

2Л .4. Структура програмного комплекса.

2Л.5, Проведение эксперимента и получение изотерм сжимаемости.

2.2. Г жидкой субфазы на твердую подножку,.,,.,,.

2.2.1. Предварительная подготовка подложек к переносу пленки.

2.2.2. Подготовка прибора и перенос пленки.

2.3. Измерение краевых углов смачивания.

2.3.1. Определение краевого угла смачивания капли жидкости.

2.3:2. Определение краевого угла смачивания двухжидкостным погружным методом.

2.3.3. Определение краевого угла смачивания, образованного воздушным пузырьком.

2.4. Спектрофотометрическое определение концентрации серебра по методу смешанной окраски дитизоном.

2.5. Определение содержания карбоксильных групп на поверхности полиимида.4ь

2.6. Очистка реактивов и растворителей.

2.6.1. Очистка ацетона.

2.6.2. Очистка бензола.

2.6.3. Очистка диметилформамцда.

2.6.4. Очистка диоксана.

2.6.5. Очистка дитизона.

2.6.6. Очистка изопропилового спирта.

2.6.7. Очистка йодистого метилена.

2.6.8. Очистка октана.

2.6.9. Очистка пальмитиновой кислоты.

2.6.10. Очистка, пентана.

2.6.11. Очистка тетрахлорметана.

2.6.12. Очистка хлороформа,.,.,,.,.,.,,.,.,,.,,.,.,,,.,,.,,.

2.6.13. Очистка этиленшиколя.

2.7. Приготовление универсальной буферной смеси.

IÍL РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1. Закономерности формирования монослоев полимеров на водной субфазе.

3.1.1. Изучение условий формирования монослоев полимеров.

3.1.2. Кислотно-основное поведение карбоксильных кислотных групп в монослоях полимеров.,,,.,.,,,.,.

3.1.3. Получение монослоев полимерных систем над водным раствором нитрата серебра.

3.2.1. Перенос монослоев полимеров сводной субфазы на твердую поверхность.

3.2.2. Перенос монослоев полимеров, сформированных над водным раствором нитрата серебра.

3.2.3. Формирование организованных структур из нескольких монссдосв полимеров.

3.3. Кислотно-основные взаимодействия в полимерных пленках.

3.3.1. Создание адсорбционных слоев на поверхности кварца.

3.3.2. Анализ изотерм смачивания ©Нат = f(pH), полученных на поверхности тонких пленок полимеров.

3.4. Расчет полярной и дисперсионной компонент поверхностной и межфазной энергии на границах раздела фаз, одна из которых полимерная пленка.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности формирования и характер межмолекулярных взаимодействий в тонких пленках организованных структур амфифильных полимеров»

Актуальность проблемы

Гонкие пленки полимеров находят широкое применение в современной микроэлектронике, медицине, биологии и других областях науки и техники. Способы получения тонких пленок полимеров разнообразны и включают в себя модификацию поверхности полимеров, осаждение адсорбционных ориентированных слоев из растворов, полимеризацию в тонком слое и формирование организованных полимерных ансамблей по методике Ленгмюра-Блоджетт.

Технология Ленгмюра-Блоджетт для высокомолекулярных веществ имеет три варианта:

1. Формирование монослоев из мономеров на поверхности жидкости (чаще всего, воды), перенос монослоев на твердую подложку с последующей полимеризацией.

2. Формирование монослоев из мономеров на поверхности жидкости, полимеризацию монослоев и их перенос на твердую подложку.

3. Формирование монослоя из полимера на поверхности жидкости и его перенос на твердую подложку.

Многократный перенос ориентированных и структурированных слоев существенно расширяет функциональные возможности полимерных, пленок (таОл.1).

Достоинством полимерных пленок также является возможность регулирования эксплуатационных свойств за счет включения наночастиц металлов в структуру организованного ансамбля полимера или получение полимерных комплексов металла. Образующиеся организованные ме-таллгюлимерные системы обладают уникальными свойствами и возможностями для практического применения в качестве катализаторов, полупроводников, специфических светофильтров и магнитных жидкостей.

1 О ТТ 1 о, чл' , Л ,

Актуальные и нерспективные направления изучения организованных ансамблей полимеров

Молекулярное зодчество

Фундаментальные исследования

Физика поверхности двумерных систем и жидких кристаллов $— <—. <—

Химия ориентированных молекул реагентов

Физика органических полупроводниковых металлов и сверхпроводников

Моделирование биологических структур и процессов

Технические приложения

Мдщюэлектроника МДП-структуры, тунельные переходы, электро,люминофоры, фото- и злектронорезисты и т.д.

Оптика светофильтры, световодные пленки, поляроиды, рентгеновские решетки и сверхрешетки и т.д.

Приборостроение пиро- и пьезодатчики, гигрометры, анализаторы примесей, световые модуляторы и т.д.

Химиям, эищгетшса катализаторы и фотокатализаторы, фотораз ложет ше воды, преобраз. солнеч. шергяи и т.д.

Мономолекулярные пленки низкомолекулярных соединений достаточно хорошо изучены и создание организованной архитектуры на их основе не вызывает трудностей. Полимеры имеют более сложное строение и получение их организованных мономолекулярных структур, значительно затруднено. Это связано с тем, что, во-первых, многие полимеры хорошо растворимы в воде, во-вторых, полярные центры полимера способны гид-ратироваться, что негативно сказывается на молекулярной сборке организованных структур и, в-третьих, трудно добиться воспроизводимых равновесных условий как при разворачивании полимера в мономолекулярную структуру, так и при переносе на твердую подложку,

Центральными вопросами в технологии формирования организованных полимерных, структур остаются:

1) выявление условий для максимального межмолекулярного взаимодействия высокомолекулярного соединения (ВМС) со средой, в которой формируется организованная структура (например, плотноупакованный монослой на воде);

2) обеспечение интенсивного межмолекулярного взаимодействия между молекулами или фрагментами ВМС, определяющее молекулярную архитектуру;

3) получение стабильных и воспроизводимых результатов.

Цель работы

Целью настоящей работы является изучение характера межмолекулярных взаимодействий в тонких поверхностных слоях полимеров как в процессе формирования организованных полимерных структур на водной субфазе (вода, буферные и небуферные растворы в интервале рН от 1 до 12, растворы солей металлов), так и на поверхности твердой подложки.

Ранее в лаборатории кафедры "Физическая и коллоидная химия" Нижегородского государственного технического университета было показано., что наночастицы серебра, сформированные в поверхностном слое модифицированного полиимида, обуславливают интересные нелинейные оптические эффекты (эффект аномального поглощения света). В связи с этим в работе большое внимание уделено донорно-акцепторным взаимодействиям соединений серебра с ВМС на всех этапах формирования тонкопленочной структуры.

Научная новизна

Впервые сформированы организованные ансамбли амфифильных полимеров, содержащие высокий массовый процент гидрофильного спейсера на поверхности водной субфазы в интервале рН от 1 до 12, на субфазе водного раствора нитрата серебра и на поверхности кварца.

Впервые получены устойчивые донорно-акцепторные комплексы ионов серебра с полимерными структурами, проявляющими нелинейные оптические эффекты, на поверхности кварца.

Совокупностью методов исследования (анализа диаграмм сжимаемости, УФ-спектров поглощения, прямых спектрометрических измерений поверхностной концентрации ионов серебра, титриметрического анализа карбоксильных групп, изучением смачивания по измерению углов натека-ния, оттекания и определения равновесных краевых углов смачивания в условиях избирательного смачивания) показана доминирующая роль кислотно-основных взаимодействий при формировании организованных полимерных ансамблей на любых границах раздела.

На основе расчетов энергетических характеристик: ЛОпершоса, А/, адгезии, составляющих поверхностной и межфазной энергии Гиббса на межфазных границах, одна из которых ультратонкая пленка полимера, предложены оригинальные критерии эффективности прогнозирования ориентации и совместимости при переносе слоев организованных структур на твердую подножку.

Публикации

По результатам исследований опубликовано восемь печатных работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов и библиографии. Общий объем составляет 113 страниц машинописного текста (в том числе 10 таблиц, 32 рисунка, список цитируемой литературы из 69 наименований).