Monocouche

Une monocouche est une couche unique et compacte d'entités, généralement des atomes ou des molécules . Les monocouches peuvent également être constituées de cellules. Des monocouches auto-assemblées se forment spontanément sur des surfaces. Les monocouches de cristaux stratifiés comme le graphène et le bisulfure de molybdène sont généralement appelées matériaux 2D .

Types

Schéma de molécules ambiphiles flottant à la surface de l'eau.

Une monocouche de Langmuir ou monocouche insoluble est une couche épaisse d'une molécule d'un matériau organique insoluble étalé sur une sous -phase aqueuse dans une cuve de Langmuir-Blodgett . Les composés traditionnels utilisés pour préparer les monocouches de Langmuir sont des matériaux amphiphiles qui possèdent un groupe de tête hydrophile et une queue hydrophobe . Depuis les années 1980, un grand nombre d'autres matériaux ont été utilisés pour produire des monocouches de Langmuir, dont certaines sont semi-amphiphiles, notamment des nanoparticules polymères, céramiques ou métalliques et des macromolécules telles que des polymères . Les monocouches de Langmuir sont largement étudiées pour la fabrication de films de Langmuir-Blodgett (films LB), qui sont formés de monocouches transférées sur un substrat solide.

Une monocouche de Gibbs ou monocouche soluble est une monocouche formée par un composé soluble dans l'une des phases séparées par l' interface sur laquelle la monocouche est formée.

Propriétés

Temps de formation

Le temps de formation de la monocouche ou temps de monocouche est la durée moyenne nécessaire pour qu'une surface soit recouverte par un adsorbat, comme l'oxygène adhérant à l'aluminium frais. Si l'adsorbat a un coefficient d'adhérence unitaire , de sorte que chaque molécule qui atteint la surface s'y colle sans se réévaporer, alors le temps de monocouche est très approximativement :

{\displaystyle t={\frac {3 imes 10^{-4}\,\mathrm {Pa} \cdot \mathrm {s} }{P <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mrow> <mfrac> <mrow> <mn>3</mn> <mo>×</mo> <msup> <mn>10</mn> <mrow> <mo>−</mo> <mn>4</mn> </mrow> </msup> <mspace></mspace> <mrow> <mi>P</mi> <mi>un</mi> </mrow> <mo>⋅</mo> <mrow> <mi>m</mi> </mrow> </mrow> <mi>P</mi> </mfrac> </mrow> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle t={\frac {3\fois 10^{-4}\,\mathrm {Pa} \cdot \mathrm {s} }{P}}}</annotation> </semantics> </math></span><img src=

où t est le temps et P la pression. Il faut environ 1 seconde pour couvrir une surface à une pression de 300 μPa (2×10 ⁻⁶ Torr).

Phases monocouches et équations d'état

Une monocouche de Langmuir peut être comprimée ou dilatée en modifiant sa surface à l'aide d'une barrière mobile dans une balance à film de Langmuir. Si la tension superficielle de l'interface est mesurée pendant la compression, on obtient une isotherme de compression . Cette isotherme montre la variation de la pression superficielle ( , où est la tension superficielle de l'interface avant la formation de la monocouche) avec la surface (l'inverse de la concentration superficielle ). Elle est analogue à un processus 3D dans lequel la pression varie avec le volume . ${\displaystyle \Pi =\gamma ^{o}-\gamma <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>P</mi> <mo>=</mo> <msup> <mi>γ</mi> <mrow> <mi>ou</mi> </mrow> </msup> <mo>−</mo> <mi>γ</mi> </mstyle> </mrow> <annotation>{ displaystyle Pi = gamma ^ {o} - gamma}</annotation> </semantics> </math><img src=$ ${\displaystyle \gamma ^{o <semantics> <mrow> <mstyle> <msup> <mi>γ</mi> <mrow> <mi>ou</mi> </mrow> </msup> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle \gamma ^{o}}</annotation> </semantics> </math><img src=$ ${\displaystyle \Gamma ^{-1 <semantics> <mrow> <mstyle> <msup> <mi>g</mi> <mrow> <mo>−</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle \Gamma ^{-1}}</annotation> </semantics> </math><img src=$

Il est possible de détecter une variété de phases bidimensionnelles, chacune séparée par une transition de phase . Pendant la transition de phase, la pression de surface ne change pas, mais la surface, oui, tout comme pendant les transitions de phase normales, le volume change mais pas la pression. Les phases 2D, par ordre de pression croissant :

Gaz bidimensionnel : il y a peu de molécules par unité de surface et elles ont peu d'interactions, donc on peut utiliser des équations d'état analogues pour les gaz 3D : loi des gaz parfaits , où est l'aire par mole. Lorsque la pression de surface augmente, des équations plus complexes sont nécessaires (Van der Waals, viriel...) ${\displaystyle \Pi A=RT <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>P</mi> <mi>UN</mi> <mo>=</mo> <mi>R</mi> <mi>T</mi> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle \Pi A=RT}</annotation> </semantics> </math><img src=$ ${\displaystyle A <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>UN</mi> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle A}</annotation> </semantics> </math><img src=$
Liquide expansé
Liquide comprimé
Solide

Si la surface est encore réduite une fois la phase solide atteinte, un effondrement se produit, la monocouche se brise et des agrégats solubles et des multicouches se forment

Les monocouches de Gibbs suivent également des équations d'état, qui peuvent être déduites de l'isotherme de Gibbs .

Pour les solutions très diluées , grâce à l'isotherme de Gibbs, un autre analogue de la loi des gaz parfaits est atteint ${\displaystyle \gamma =\gamma _{o}-mC <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>γ</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>γ</mi> <mrow> <mi>ou</mi> </mrow> </msub> <mo>−</mo> <mi>m</mi> <mi>C</mi> </mstyle> </mrow> <annotation>{ displaystyle gamma = gamma _ {o} -mC}</annotation> </semantics> </math><img src=$ ${\displaystyle \Pi =\Gamma RT <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>P</mi> <mo>=</mo> <mi>g</mi> <mi>R</mi> <mi>T</mi> </mstyle> </mrow> <annotation>{ displaystyle Pi = Gamma RT}</annotation> </semantics> </math><img src=$
Pour des solutions plus concentrées et en appliquant l'isotherme de Langmuir , ainsi ${\displaystyle \Gamma =\Gamma _{\max }{\frac {C}{a+C <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>g</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <mo>max</mo> </mrow> </msub> <mrow> <mfrac> <mi>C</mi> <mrow> <mi>un</mi> <mo>+</mo> <mi>C</mi> </mrow> </mfrac> </mrow> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle \Gamma =\Gamma _{\max }{\frac {C}{a+C}}}</annotation> </semantics> </math><img src=$ ${\displaystyle \Pi =\Gamma _{\max }RT\left(1+{\frac {C}{a}} ight) <semantics> <mrow> <mstyle> <mi>P</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <mo>max</mo> </mrow> </msub> <mi>R</mi> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mrow> <mfrac> <mi>C</mi> <mi>un</mi> </mfrac> </mrow> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> </mstyle> </mrow> <annotation>{\displaystyle \Pi =\Gamma _{\max }RT\gauche(1+{\frac {C}{a}}\droite)}</annotation> </semantics> </math><img src=$

Applications

Les monocouches ont une multitude d’applications aussi bien aux interphases air-eau qu’aux interphases air-solide.

Les monocouches de nanoparticules peuvent être utilisées pour créer des surfaces fonctionnelles qui ont par exemple des propriétés antireflets ou superhydrophobes.

Les monocouches sont fréquemment rencontrées en biologie . Une micelle est une monocouche, et la structure bicouche lipidique phospholipidique des membranes biologiques est techniquement constituée de deux monocouches. Les monocouches de Langmuir sont couramment utilisées pour imiter la membrane cellulaire afin d'étudier les effets des produits pharmaceutiques ou des toxines.

Culture cellulaire

En culture cellulaire , une monocouche fait référence à une couche de cellules dans laquelle aucune cellule ne pousse sur une autre, mais toutes poussent côte à côte et se touchent souvent sur la même surface de croissance.