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Langmuir-Pockels-Filmwaage

Gerätebeschreibung und Messprinzip

Der Messaufbau entspricht im Prinzip einem zweidimensionalen Kompressionskolben mit Drucksensor. Zur Aufnahme der Flüssigkeit, an deren Oberfläche ein unlöslicher Film vermessen wird, dient ein rechteckiger Teflontrog. Mit der motorgesteuerten Schubbarriere kann die verfügbare Fläche pro Molekül kontinuierlich verkleinert oder vergrößert werden. Gleichzeitig wird der Oberflächendruckp, der sich aus der Differenz zwischen der Oberflächenspannung des reinen Wassers und der filmbedeckten Wasseroberfläche ergibt, gemessen. Als Drucksensor wird die Vertikalplattenmethode nach Wilhelmy genutzt.

Werden p/A-Isothermen von Langmuir-Filmen aufgenommen, so besitzen die resultierenden Graphen oftmals einen sehr charakteristischen Verlauf. Der Interpretation dieser Kurve liegt das Modell zugrunde, dass sich die einzelnen Phasenbereiche, deren Phasenübergänge sich durch Änderung der Steigung bemerkbar machen, in Analogie zu den dreidimensionalen Volumenphasen Gas, Flüssigkeit und Festkörper einteilen lassen. Bei einem Oberflächendruck von 0 mN/m befindet sich der Film entsprechend in einem zweidimensionalen, gasanalogen Zustand (G) doch schon bei geringer Kompression findet ein Übergang in den flüssig-expandierten (LE) Zustand statt. Bei weiterer Kompression wandelt sich der Film von einer rein flüssig-expandierten Phase über einen Übergangsbereich (Plateau) in die flüssig-kondensierte Phase (LC) um, um dann schließlich den feststoffanalogen kondensierten Bereich (S) zu erreichen. Weitere Filmverdichtung führt zum Kollaps der Monoschicht, und es werden Multischichten aufgebaut.

 

Langmuir-PockelsFilmwaage

Abb. 1 Langmuir-Pockels Filmwaage 601 BAM der Firma NIMA Technology.

 

LangmuirPockelsFilmwaage_anima

Abb. 2 Messprinzip

 

Die einzelnen Phasen werden durch verschiedene Anordnungen der Moleküle an der Wasseroberfläche hervorgerufen. Dies ist in einem Strukturmodell der verschiedenen Filmzustände dargestellt. Im gasanalogen Zustand sind die Kopfgruppen (rot) mit der Wasseroberfläche über Wasserstoffbrücken gebunden. Dabei liegen die Kohlenwasserstoffketten (schwarz) aufgrund des hohen Platzangebots in zufälliger Anordnung auf der Wasseroberfläche. Im Prozess der Kompression richten sich die Ketten auf, und es wird der flüssig-expandierte Bereich erreicht. Die Anordnung in der flüssig-kondensierten Phase ist dadurch gekennzeichnet, dass einerseits die Kopfgruppen in einer dichten Packung an der Oberfläche adsorbiert sind, und andererseits die Ketten über hydrophob-hydrophob-Wechselwirkungen miteinander in Verbindung stehen. Dabei strecken sich diese und stehen mit einem gewissen Neigungswinkel zur Oberfläche. Wird die Dichte des Filmes weiter erhöht so sind die Ketten weitestgehend senkrecht zur Oberfläche orientiert und es liegt ein zweidimensionaler Kristall vor. Bei der obigen Beschreibung handelt es sich nur um einen einfachen Phasenverlauf innerhalb eines charakteristischen Temperaturbereiches, sodass hier auf weiterführende Literatur verwiesen wird [1, 2, 3].

Eine wertvolle Ergänzung zur Langmuir-Pockels Filmwaage stellt die Brewster-Winkel-Mikroskopie da. Mit Ihr kann die Aggregatbildung amphiphiler Moleküle an der Oberfläche online beobachtet und analysiert werden.

 

Literatur

  1. C. M. Knobler, R. C. Desai; Ann. Rev. Phys. Chem 1992, 43, 207
  2. H. Lange, P. Jeschke; in: Nonionic Surfactants – Physical Chemistry, ed. M. J. Schick 1988, 4, M. Dekker, New York, Basel
  3. H. Möhwald; Ann. Rev. Phys. Chem 1990, 41, 441