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Una cubeta de Langmuir-Blodgett (LB) es un aparato de laboratorio que se utiliza para comprimir monocapas de moléculas en la superficie de una subfase dada (generalmente agua) y medir fenómenos superficiales debido a esta compresión. También se puede utilizar para depositar monocapas individuales o múltiples en un sustrato sólido.
Que es una cubeta de Langmuir-Blodgett
La idea de una película Langmuir-Blodgett (LB) se demostró por primera vez en 1917 cuando Irving Langmuir (Langmuir, 1917) mostró que se podían transferir monocapas de agua única a sustratos sólidos. 18 años después, Katharine Blodgett realizó un avance científico importante cuando descubrió que varias de estas películas de monocapa única se podían apilar unas sobre otras para hacer películas multicapa (Blodgett 1935).
Desde entonces, las películas LB (y las cubetas para hacerlas) se han utilizado para una amplia variedad de experimentos científicos, que van desde la cristalización 2D de proteínas hasta la microscopía de ángulo de Brewster.
El objetivo general de la cubeta LB es estudiar las propiedades de las monocapas de moléculas anfifílicas. Una molécula anfifílica es aquella que contiene tanto un dominio hidrofóbico como hidrofílico (por ejemplo, jabones y detergentes).
La cubeta LB permite a los investigadores preparar una monocapa de moléculas anfifílicas en la superficie de un líquido, y luego comprimir o expandir estas moléculas en la superficie, modificando así la densidad molecular o el área por molécula. Esto se logra colocando una subfase (generalmente agua) en una cubeta, extendiendo un anfifílico dado sobre la superficie y luego comprimiendo la superficie con barreras.
El efecto de la monocapa sobre la presión superficial del líquido se mide mediante el uso de una placa de Wilhelmy, sondas de alambre electrónico u otros tipos de detectores. Una película LB luego se puede transferir a un sustrato sólido sumergiendo el sustrato a través de la monocapa.
La cubeta de Langmuir-Blodgett también se utiliza ampliamente para preparar la membrana lipídica e investigar las interacciones con moléculas superficiales. Las membranas celulares son complicadas con varias proteínas incrustadas en ellas.
La membrana celular se imita en membranas modelo para investigar una función específica en un sistema simplificado. Por ejemplo, se puede depositar una monocapa de lípidos en la interfaz aire-agua y se puede inyectar proteína en el agua. El cambio en la presión superficial puede proporcionar información directa sobre la cinética de adsorción de proteínas en la membrana.
Además de los materiales anfifílicos, las cubetas Langmuir-Blodgett se utilizan comúnmente en la actualidad para crear recubrimientos de nanopartículas con densidad de empaquetamiento controlada.
Historia
Primeros estudios sobre la química de superficies
Uno de los primeros científicos en describir y tratar de cuantificar la expansión de películas monomoleculares en la superficie de un líquido fue Benjamin Franklin. Franklin describió la expansión de una gota de aceite sobre la superficie de un lago para formar una superficie de área definida.
Además, realizó experimentos dejando caer aceite sobre la superficie de un recipiente con agua y observó que la acción de expansión dependía del área superficial del líquido, es decir, aumentando el área superficial del líquido se necesitarán más gotas para crear una película en la superficie.
Franklin sugirió que esta acción de expansión se basaba en fuerzas repulsivas entre las moléculas de aceite. Más tarde, este trabajo fue continuado por Lord Rayleigh, quien sugirió que la expansión del aceite sobre el agua resultaba en una monocapa de moléculas de aceite.
Cubeta de Pockels
Una científica alemana e independiente, Agnes Pockels, escribió a Lord Rayleigh poco después de su publicación en 1890. En esta carta, describió un aparato que había diseñado para medir la tensión superficial de monocapas de sustancias hidrofóbicas y anfifílicas.
Este sencillo dispositivo era una cubeta hecha de una sartén de lata con inserciones de lata para determinar el tamaño de la superficie y una balanza con un disco de 6 mm en un extremo para medir la fuerza requerida para separar el disco de la superficie. Usando este dispositivo, describió el comportamiento general de la tensión superficial con concentraciones superficiales variables de aceite.
Pockels continuó su trabajo y en 1892 publicó un artículo en el que calculaba la cantidad de varios materiales (principalmente aceites domésticos) necesarios para formar una monocapa. Además, comentó sobre la pureza y limpieza requeridas para realizar mediciones precisas de la tensión superficial. También en este artículo informó valores del grosor de películas de varias sustancias anfifílicas en la superficie del agua.
En un artículo posterior, Pockels examinó los efectos de diferentes proporciones de moléculas hidrofóbicas y anfifílicas en la tensión superficial y la formación de monocapas. Después del cambio de siglo, la cubeta de Pockels fue mejorada por Irving Langmuir.
Desarrollo de la cubeta de Langmuir-Blodgett
Con este nuevo dispositivo, Langmuir demostró que las películas anfifílicas son verdaderamente monocapas, y estas monocapas están orientadas en la superficie de tal manera que «la porción activa o más hidrofílica de las moléculas superficiales está en contacto con el líquido debajo, mientras que las porciones hidrofóbicas de las moléculas están apuntando hacia arriba hacia el aire». William Harkins describió resultados similares al mismo tiempo. Poco después de que Langmuir describiera la transferencia de películas anfifílicas desde superficies de agua a superficies sólidas (Langmuir, 1920), ganó el Premio Nobel de Química por este trabajo en 1932.
Neil Kensington Adam resumió y expandió el trabajo de Langmuir en una serie de varios artículos publicados en Proceedings of the Royal Society of London de 1921 a 1926. Katherine Blodgett fue estudiante de Irving Langmuir y en 1935 describió la deposición de cientos de capas de moléculas anfifílicas sobre un sustrato sólido de manera muy ordenada.
Ella hizo desarrollos finales en la cubeta de Langmuir-Blodgett permitiendo que se use fácilmente para transferir películas a superficies sólidas. Después del trabajo de Blodgett, el campo estuvo relativamente inactivo durante varios años hasta que en 1971 Hans Kuhn comenzó a realizar experimentos ópticos y fotoeléctricos con ensamblajes de monocapa utilizando los métodos de Langmuir y Blodgett.
Materiales de construcción
En los experimentos iniciales, la cubeta se construyó primero con metales como el latón. Sin embargo, surgieron dificultades con la contaminación de la subfase por iones metálicos. Para combatir esto, se utilizaron cubetas de vidrio durante un tiempo, con un recubrimiento de cera para evitar la contaminación por los poros de vidrio.
Esto fue abandonado eventualmente a favor de plásticos insolubles en disolventes comunes, como el teflón (politetrafluoroetileno). El teflón es hidrofóbico y químicamente inerte, lo que lo convierte en un material muy adecuado y el más comúnmente utilizado para las cubetas hoy en día. Ocasionalmente se utilizan cubetas de metal o vidrio recubiertas con una fina capa de teflón; sin embargo, no son tan duraderas como las cubetas sólidas de PTFE.
En el caso de experimentos líquido-líquido donde la compresión se realiza en la interfaz de un líquido polar como el agua y un líquido dispersante como el aceite, la cubeta se fabrica comúnmente con POM (polioximetileno). El POM es más hidrofílico y ayuda a mantener estable la interfaz líquido-líquido.
Barreras
Diferentes mecanismos se han utilizado para comprimir o expandir las monocapas a lo largo del desarrollo de la cubeta LB. En sus primeros experimentos, Langmuir y Blodgett utilizaron hilos de seda flexibles impregnados de cera para encapsular y comprimir la película de monocapa. Los sistemas más comúnmente utilizados están compuestos por barreras móviles que se deslizan paralelas a las paredes de la cubeta y están en contacto con la parte superior del líquido.
Estas barreras suelen estar hechas de POM hidrofílico para formar un menisco que ayudará a mantener las moléculas adentro incluso en altas densidades de empaquetamiento. También están disponibles barreras de PTFE para casos en los que se requiere resistencia química adicional.
Otra versión con una zona de trabajo de perímetro variable es la cubeta circular en la que la monocapa se encuentra entre dos barreras radiales. Posteriormente se desarrolló una cubeta de perímetro constante en la que la barrera es una cinta flexible de teflón enrollada alrededor de tres pares de rodillos. Uno de los pares es fijo y los otros dos son móviles en carritos, de modo que la longitud de la cinta permanece constante a medida que se cambia el área de la zona de trabajo.
Cubetas especiales alternativas permiten la preparación y deposición de monocapas alternas al tener dos zonas de trabajo separadas que pueden comprimirse de manera independiente o sincrónica mediante las barreras.
Usos de la cubeta Langmuir-Blodgett
La cubeta Langmuir–Blodgett (LB) tiene innumerables usos, pero generalmente asume uno de dos roles. Primero, la cubeta se puede utilizar para depositar una o más monocapas de anfífilos específicos sobre sustratos sólidos. A su vez, se utilizan para diferentes áreas de la ciencia que van desde la óptica hasta la reología. Por ejemplo, a través de dispositivos fabricados a partir de una cubeta LB, Lee et al. demostraron en 2006 que el túnel de electrones directo era el modo de transporte en monocapas autoensambladas de alcanotiol .
Las cubetas Langmuir-Blodgett tienen ventajas únicas en la deposición de nanopartículas, lo que las hace capaces de crear recubrimientos altamente sofisticados con nanopartículas. Algunas de las ventajas incluyen un control preciso de la densidad de empaquetamiento de las moléculas y el grosor de la capa depositada. Además, el método LB es flexible en el uso de diferentes geometrías de sustratos y diferentes materiales de nanopartículas.
En segundo lugar, la cubeta LB puede usarse como un dispositivo experimental en sí mismo para probar propiedades interfaciales como la tensión superficial de varios fluidos, así como la presión superficial de un sistema dado. El sistema también se puede utilizar como un mecanismo de observación para ver cómo interactúan los medicamentos con los lípidos, o para ver cómo se disponen los lípidos a medida que se varían las relaciones número-área.
Las cubetas Langmuir–Blodgett se pueden utilizar para experimentos en la fabricación de películas Langmuir–Blodgett y la caracterización de películas Langmuir. Las películas LB se utilizan ahora como los bloques de construcción de la electrónica molecular.
Las cubetas se pueden utilizar para fabricar películas para la fabricación de electrónicos a escala nanométrica, como láminas de grafeno (Li et al., 2008), y LCDs (Russell-Tanner, Takayama, Sugimura, DeSimone & Samulski, 2007). Además, se pueden fabricar películas de materiales biológicos (Yang et al., 2002) para mejorar la adhesión celular o estudiar las propiedades de los biofilms. Un ejemplo de la utilidad de las cubetas Langmuir–Blodgett en la caracterización de películas Langmuir es el análisis de las propiedades superficiales de los puntos cuánticos en la interfaz aire-agua.
La superficie del agua tiene una naturaleza increíblemente suave que podría extenderse tan grande como el tamaño de su contenedor. La rugosidad cuadrática media (RMS) del agua es de 3,2 Å, según la reflectividad de rayos X. Esta característica hace que las cubetas Langmuir sean un candidato adecuado para la síntesis y caracterización de láminas monocapa covalentes e incluso polímeros 2D.
Para más información Langmuir & Langmuir Blodgett
Como citar este artículo:
APA: (2024-06-03). Cubeta de Langmuir-Blodgett. Recuperado de https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/cubeta-de-langmuir-blodgett/
ACS: . Cubeta de Langmuir-Blodgett. https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/cubeta-de-langmuir-blodgett/. Fecha de consulta 2025-06-17.
IEEE: , "Cubeta de Langmuir-Blodgett," https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/cubeta-de-langmuir-blodgett/, fecha de consulta 2025-06-17.
Vancouver: . Cubeta de Langmuir-Blodgett. [Internet]. 2024-06-03 [citado 2025-06-17]. Disponible en: https://quimicafacil.net/infografias/material-de-laboratorio/cubeta-de-langmuir-blodgett/.
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