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Monomolekulare Filme

Die Druck-Flächen-Isotherme

Der laterale Filmdruck π hängt von der Flächendichte (Oberflächenkonzentration), der Temperatur und den intrinsischen Eigenschaften der filmbildenden Substanz ab. Durch kontinuierliche Messung des Filmdrucks π in Abhängigkeit von der Fläche pro Molekül A m bei Kompression des Langmuir-Films bei konstanter Temperatur erhält man die entsprechende Druck-Flächen-Isotherme ( π - A -Isotherme). Die π - A -Isotherme ist der p - V -Isothermen im dreidimensionalen Fall analog.

Die Abszisse der π - A -Isotherme wird zweckmäßigerweise in der pro Molekül zur Verfügung stehenden Fläche A m angegeben. Diese berechnet sich aus der Anzahl N der gespreiteten Moleküle auf dem Langmuir-Trog und der Gesamtfläche A des Langmuir-Films, der durch die Barriere eingeschlossen wird. Durch Aufbringen einer definierten Menge des Tensids kann der Filmdruck in Abhängigkeit von der molekularen Fläche A m gemessen werden.

A m = A / N mit N = N A c V M A m : Fläche eines Moleküls N : Zahl der gespreiteten Moleküle A : Gesamtfläche N A : Avogadro Konstante c : Konzentration der gespreiteten Lösung V : gespreitetes Volumen M : molare Masse der gespreiteten Substanz

Die Druck-Flächen-Isothermen können sehr unterschiedlich aussehen. Neben den Unterschieden, die zwischen verschiedenen Substanzen auftreten, weisen die Isothermen verschiedene Kurvenäste unterschiedlicher Krümmung und Steigung auf. Diese charakteristischen Änderungen des Anstiegs der π - A -Isotherme zeigen das Auftreten verschiedener Phasen und Phasenübergänge an, die unterschiedlichen morphologischen Strukturen im Langmuir-Film zugeordnet sind.

Durch Messung der p - A -Isothermen können folgende Parameter bestimmt werden:

  • Lage von Phasenumwandlungspunkten des Langmuir-Films.
  • Platzbedarf der Moleküle bzw. Fläche pro Molekül innerhalb einer Phase. Verschiedene Moleküle beanspruchen verschieden viel Platz auf der Flüssigkeitsoberfläche. Kettenförmige unverzweigte Moleküle beanspruchen weniger Platz als kugelförmige oder pilzförmige. Man bestimmt die Fläche durch Extrapolation des steilsten Teils der Isotherme auf die Horizontale Achse. Daraus können Rückschlüsse auf die molekulare Anordnung in den Langmuir-Schichten gezogen werden.
  • Höhe des Kollapsdrucks π c . Der Kollapsdruck ist der höchste erreichbare Oberflächendruck des Films. Wenn die Oberflächenschicht über diesen Druck hinaus komprimiert wird, zerbricht die Monolage, und die Moleküle schieben sich übereinander.
Abb.1
Die Animation zeigt den Verlauf einer idealisierten Druck-Flächen-Isotherme von Langmuir-Filmen an der Wasser/Luft-Grenzfläche bei konstanter Temperatur.
Hinweis
Nicht alle Langmuirschichten weisen auch alle Phasen dieser als idealisiert zu betrachtenden Isotherme auf. Besonders die fest-kondensierte Phase ist nur selten zu beobachten. Oft kollabiert der Film jedoch direkt aus der flüssig-kondensierten Phase heraus.
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