Измеритель поверхностного давления и сопротивляемости сжатию лэнгмюровских пленок

 

Изобретение относится к приборостроению , в частности к прецизионным датчикам поверхностного давления и вязкости, и может быть использовано в качестве контролирующего микробаланса в процессе нанесения мономолекулярных пленок Лэнгмюра-Блоджетт. Сущность изобретения: Измеритель, выполнен в виде двойного светодиодно-фотодиодного моста. При этом поверхностное давление измеряется схемой с нулевой компенсацией , а сопротивлениямость сжатию - схемой измерения малых перемещений при воздействии на пластину Вилыельми лэнгмгоровскими пленками. 3 ил.

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 13/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ lil ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ ССС

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ф (д

it) (21) 4829154/25 (22) 28,05,90 (46) 07.11.92. Бюл, № 41 (71) Институт энергетических проблем химической физики АН СССР (72) О.В,Чечель и Е,Н.Николаев (56) 1. Gershfeid N,I .//Реч, Sci. Instã. 1970, v. 41, ¹ 9, р, 1356.

2. Mobins D.//Ber. Bunsenges. Phys.

Chem. 1969, v. 73, р. 345, (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОВЕРХНОСТНОГО

ДЛBЛ ЕНИЯ И СОПРОТИВЛЛЕMОСТИ

С Ж АТ И (О Л 3 Н ГM IO P O B C KN X I I Jl E H O I

Изобретение относится к приборостроению, в частности к прецизионным датчикам поверхностного давления и вязкости, и может быть использовано в качестве контролирующего микробаланса в процессе нанесения мономолекулярных пленок

Лэнгмюра-Блод>кетт, Известны весы Лэнгмюра, в которых поверхностное давление пленки на поверхности жидкости измерчют как силу, действующую на подвижную рамку, расположенную на поверхности жидкости и nepeceKàlîùóþ монослой f1). При этом в качестве измерителя силы используют торсионные или маятниковые весы.

Недостаток известных весов -- низкая точность изл1ерения поверхностного давления пленки.

Наиболее близки к предлагаемому измерителю весы Вильгельми, состоящие из корпуса, плоской пружины, пластины Вильгельми, ферритового сердечника. укрепленных на пружине, катушки с тремя. Ын, 1774230 А1 (57) Изобретение относится к приборостроению, в частности к прецизионным датчикам поверхностного давления и вязкости, и может быть использовано в качестве контролирующего микробаланса в процессе нанесения мономолекулярных пленок

Лэнгмюра-Блоджетт.

Сущность изобретения: Измеритель выполнен в виде двойного светодиодно-фотодиодного моста. При этом поверхностное давление измеряется схемой с нулевой компенсацией, а сопротивлениямость с>катию— схемой измерения малых перемещений при воздействии на пластину Вильгельми лэнгмюровскими пленками.,3 ил, обмотками, генератора, усилителя и амперметра (2), В процессе измерения поверхностного давления на первую обмотку катушки подают высокочастотное напряжение от генератора, а пластину Вильгельми частично погружают в жидкую субфазу, Под воздействием силы поверхностного натяжения пленки пластина изменяет свою массу и отклоняет пружину от положения равновесия; при этом ферритовый сердечник частично вытягивается иэ катушки, во второй и третьей обмотках катушки возбуждаются токи разной величины. укаэанную разность токов, соответствующую поверхностному давлению пленки, измеряют при помощи усилителя и амперметра.

Недостатками известного устройства являются невысокая точность измерения поверхностного давления, а также невозможность одновременного измерения поверхностного давления и сопротивляемости сжатию пленки.

1774230

Целью изобретения является повышение чувствительности и расширение функLl,èональных возможностей за счет обеспечения одновременного измерения поверхностного давления и сопротивляемости сжагию пленки, На фиг, 1 схематично изображен измери1ел ь, Устройство состоит из корпуса (не показан), плоской пружины 1, ферритовога сердечника 2, пластины Вильгельми 3, соединенной посредствам проволочного держателя 4 с пластиной 5 с оптической щелью, причем пластина с оптической щелью выполнена с возмо>кностью вращения вокруг ooê б, укрепленной о окне 7 плоскоской пружины 1; катушки 8, светодиода

9 с источником питания 10, двух пар фотодиодав 11 и 12 с усилителями 13 и 14 и амперметрами 15 и 16 (при этом обе пары фотодиодов выполняют в одном корпусе); регулируемого за>кима 17, пружины 1.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерений устройство калибруют как датчик поверхностного натл>кения методом градуировки по реперным очкам, погру>кая пластину Вильгельми поочередно B вещества с известными значениями поверхностного натл>кения (такими, «ак вода, ряд жирных кислот идр,}, либо при помощи разновеса. При калибровке при по-мощи разновеса с устройства снимают пластину Вильгельми 3 и вместо Нее надевают на проволочный держатель 4 чашку весов той же массы, что и используемая в процессе измерений пластина Вильгельми, Затем чашку последовательна нагружают разновесом в диапазоне 0 — 2 г с интервалом 5 мг.

При добавлении каждой новой нагрузки появллегся разность фототоков на фотодиодах 11 и 12 из-за смещения оптической щели в пластине 5 относительно аси, соединяющей источник света с центром фотодиодной пары 11-12. При появлении указанной разности токов в измерительной схеме усилитель 13 вырабатывает ток на катушку, достаточный для того, чта компенсировать смещение пружины 1 вдоль вертикальной оси путем втягивания ферромаг нитного сердечника 2 о катушку 8 и восстановить нулевую разность токов между фотодиодами 11 и 12. Таким образом, «аждай калибровочной нагрузке соответстоует ток, вырабатываемый усилителем 13 и измеряемый амперметром l5. Диапазону нагрузок 0-2 г, соогоетстоующему диапазону поверхностных давлений 0-100 мН/м (типичному для органических монослаев), отоечлpl диапазон кампенсируощих токов

0-100 мА. Данная зависимость, которая во всем диапазоне весов не является линейной, и представляет собой калибровочную кривую.

Калибровка по горизонтальной оси не проводится, поскольку сопротивляемость монослоя сжатию не имеет абсолютного физического смысла и используется только для опредления момента полного заполнения первого манослая, Перед измерением поверхностного давления и вязкости пленки пластину Вильгельми 3, в качестве которой обычно используют фильтровальную бумагу с периметром погру>каемой о жидкость части GO мм, полностью опускают в жидкость, на поверхность которой будут наносить пленку, Затем пластину вынимают из жидкости и дают свободно повисеть в течение 1-2 мин. После этого пластина Вильгельми приобретает постоянну о массу и готова к работе. Затем на поверхность н<идкай субфазы в специаг ьной ванне 18 наносят исследуемую пленку 19, например лэнгмюровскую пленку, Пластину

Вильгельми частично погру>кают о жидкость, так чтобы плоскость пластины была перпендикулярна направлению движения барьера 20, сжимающего пленку, Перемещая регулируемый зажим 17 вдоль плоской пружины 1, а.также перемещая светодиод 9 и фотодиоды 11,12, установленные на одном двухкоординатном юстировочном устройстве, добиваются того, чтобы оптическая щель пластины 5 совместилась с оптической осью между светодиодом 9 двумя парами фотодиодов 11,12. При идеальном совмещении фатоток в каждой паре фотодиодов полностью скомпенсирован, После этого начинают сжимать пленку 19 при помощи подвижного барьера 20. В процессе сжатия пластина

Вильгельми 3 движется в двух взаимна перпендикулярных направлениях Х и У, Движение в направлении Y возникает из-за того, что под действием силы поверхностного давления пленки 18, смачиоающей пластину

Вильгельми 3, последняя изменяет свою массу. Усилие передаетсл через проволочный держатель 4, пластину с оптической щелью 5 и ось б плоской пружине 1. В результате плоская пружины 1 откланяется от положения равновесия, оптическая щель смещается относительно оптической оси, проходящей светодиод 9 и центр фотодиодных пар 11, 12: в цепи фотодиодной пары 11 возникает разбаланс фототаков, который усиливается усилителем 13 и измеряется микроамперметром 15. Измеренный так соответствует поверхностному давлению пленки, Кроме того, этот ток поступает на катушку 8, которая втягивает сердечник 2, а

1774230 последний тянет плоскую пружину 2 в направлении, противополо>кном усилию от пластины Вильгельми 3. и возвращает ее в положение равновесия. Таким образом, датчик поверхностного давления устроен как нуль-микробаланс, что значительно повышает его чувствительность по сравнению с прототипом, Чувствительность датчика достигает 0,1 мкН/м. С учетом калибровочной кривой, вычитая поверхностное натяжение чистой воды (70 мН/м), определяют абсолютное значение поверхностного давления монослоя, а также снимают зависимость поверхностного давления от площади поверхности пленки.

Кроме описанного дви>кения в направлеии оси У, пластина 3 смещается в направлении Х в результате воздействия на нее вязкой пленки 19, толкаемой барьером 20.

Смещение держателя пластины 4 по отношению к нормали к пленке не превышает

1, что позволяет измерять указанное смещение с помощью датчика линейных перемещений. При отклонении оптической щели пластины 5 от оптической оси, соединяющей светодиод 9 и центр фотодиодных пар.

11, 12 в направлении Х, в цепи фотодиодной пары 12 возникает разностный фототок. который усиливают усилителем 14 и измеряют микроамперметром 16. Данный ток соответствует сопротивляемости сжатию пленки, Знание величины поверхностного давления и сопротивляемости сжатию лэнгмюровских пленок, находящихся на поверхности жидкой субфазы, имеет большое значение для получения монослоев

Лэнгмюра-Блоджетт (ЛБ) на твердые подложки, поскольку зависимости указанных величин от пло дади поверхности пленки позволяют определить точки фазовых переходов "двумерн ы и газ — двумерня жидкость" и "двумерная жидкость — двумерное твердое тело". нанесение в которых позволяет получать наиболее стойкие ЛБ-монослои.

Типичный график зависимости к-А-изотермы, т,е, поверхностного давления от площади, приходящейся на одну молекулу, для случая стеариновой кислоты, приведена на .фиг.2. Точки фазовых переходов "двумерный газ-двумерная жидкость" и "двумерная жидкость — двумерный кристалл" являются точками перелома на указанной зависимости и обозначены соответственно А и В, Обычно нанесение ЛБ-пленок осуществляют в точке В, Однако из-за наличия шумов

55 диодов, а выход — к второму амперметру, 5

50 применяемого для измерений:т-A-иэогерм оборудования, а также при нанесении веществ со сло>кной л -А-зависимостью определение точек перелома является довольно сложной задачей. Предлагаемое изобретение позволяет эту задачу упростить и измерять в о носительных единицах сопротивляемость сжатию монослоя на поверхности водной субфаэы, На графике зависимости сопротивляемости сжатию от площади. приходящейся на одну молекулу (фиг, 3), сопротивляемость сжатию охарактеризована углом отклонения пластины

Вильгельмы от вертикали в процессе сжатия лэнгмюровской пленки), точки фазовых переходов А и B выглядят характерными разрывами ("скачками") и поддаются четкому определению при любых наносимых в виде

ЛБ-пленок веществах, Таким образом, данное устройство позволяет значительно повысить чувствительность обнаружения точек фазовых переходов в поверхностных монослоях и расширить функциональные возможности установки для нанесени ЛБпленок за счет расширения класса наносимых веществ.

Формула изобретения

Измеритель поверхностного давления и сопротивляемости сжатию лэнгмюровских пленок, содержащий плоскую пружину, соединенную с пластиной Вильгельми и ферритовым сердечником, размещенным в катушке, первый усилитель и первый амперметр, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и расширения функциональных возможностей путем дополнительного измерения сопротивляемости сжатию пленки, плоская пружина выполнена с окном, а измеритель дополнительно содержит пластину с оптической щелью, установленную с возможностью вращения вокруг оси, закрепленной в окне плоской пружины, светодиод и две пары фотодиодов, оптически соединенные с ним через щель пластины, второй усилитель и второй амперметр, причем, вход первого усилителя подключен к первой паре фотодиодов, а выход — к первому амперметру и катушке, вход второго усилителя подключен к первой паре фотодиодов, а выход — к . первому амперметру и кь гушке, вход второго усилителя подключен к второй паре фото

1774230

1774230

Составитель С.Зуев

Техред М.Моргентал

Корректор З.Салко

Редактор T.Ôåäîòoâ

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101

Заказ Э912 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-ЗБ, Раушская наб., 4/5