Измеритель поверхностного давления и сопротивляемости сжатию лэнгмюровских пленок

СООЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 8 01 К 13/02 МИТЕТОТКРЫТИЯМ ГОСУДЛРСТВЕННЫРПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИ АНИЕ И Е 1 ЬСТВУ роблем хим з 1 г. 1970(56) 1,ч,41, М2,Сйещ,еп 9 ез. Рпу ХНОСТНОГОЛЯЕМОСТИПЛЕНОК Не являю повер можно верхн сжати достатка ся невыс ностного сть однов стного даю пленки. ми известного ус окая точность и давления, а такж ременного измер вления и сопротив ист 1 ерен и евозения по- гяемости(71) Институт энергетических ической физики АН СССР(72) О.В,Чечель и Е,Н.Николае егзИеЫ М,1 .//Реч,Яс 9, р, 1356,МоЬпз О,//Вег. Випз 969, ч. 73, р, 345,(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОВЕР ДАВЛЕНИЯ И СОПРОТИ СЖАТИЮ ЛЗНГМЮРОВСКИ 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-Блодкетт,Известны весы Лэнгмюра, в которых поверхностное давление пленки на поверхности жидкости измерчют как силу, действующую на подвижную рамку, расположенную на поверхности жидкости и пересекающую монослой 11. При этом в качестве измерителя силы используют торсионные или маятниковые весы.Недостаток известных весовнизкая точность измерения поверхностного давления пленки.Наиболее близки к предлагаемому измерителю весы Вильгельми, состоящие из корпуса, плоской пружины, пластины Бильгельми, ферритового сердечника, укрепленных на пружине, катушки с тремя 5 Ц. 177423(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 сжатию - схемой измерения малых перемещений при воздействии на пластину Вильгельми лэнгмюровскими пленками.,3 ил,обмотками, генератора, усилителя и амперметра 21, В процессе излерения 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 из катушки, во второй и третьей обмотках катушки возбуждаются токи разной величины. укаэанную разность токов, соответствующую поверхностному давлению пленки, измеряют при помощи усилителя и амперметра.50 Целью изобретения является повышение чувствительности и расширение функциональных возможностей за счет обеспечения одновременного измерения поверхностного давления и сопротивляемости сжатию пленки,На фиг, 1 схематично изображен измери 1 ель,Устройство состоит из корпуса (не показан), плоской пружины 1, ферритового сердечника 2, пластины Вильгельми 3, соединенной посредством проволочного держателя 4 с пластиной 5 с оптической щелью, причем пластина с оптической щелью выполнена с возможностью вращения вокруг оси б, укрепленной в окне 7 плоскоской пружины 1; катушки 8, светодиода 9 с источником питания 10, двух пар фото- диодов 11 и 12 с усилителями 13 и 14 и амперметрами 15 и 16 (при этом обе пары фотодиодов выполняют в одном корпусе); регулируемого закима 17, пружины 1.Устройство работает следующим образом.Перед началом измерений устройство калибруют как датчик поверхностного натякения методом градуировки по реперным очкам, погрукая пластину Вильгельми поочередно в вещества с известными значениями поверхностного натякения (такими, ак вода, ряд жирных кислдт идр,), либо при помощи разновеса. При калибровке при помощи разновеса с устройства снимают пластину Вильгельми 3 и вместо пее надевают на проволочный держатель 4 чашку весов той же массы, что и используемая в процессе измерений пластина Вильгельми, Затем чашку последовательно нагружают разновесом в диапазоне 0 - 2 г с интервалом 5 мг, При добавлении каждой новой нагрузки появляегся разность фототоков на фотодиодах 11 и 12 из-за смещения оптической щели в пластине 5 относительно оси, 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, что компенсировать смещение пружины 1 вдоль вертикальной оси путем втягивания феррома нитного сердечника 2 в катушку 8 и восстановить нулевую разность токов между фотодиодами 11 и 12, Таким образом, каждой калибровочной нагрузке соответствует ток, вырабатываемый усилителем 13 и измеряемый амперметром 15, Диапазону нагрузок 0-2 г, соогветствующему диапазону поверхностных давлений 0-100 мН/м(типичному для органических монослоев), отвея;е 1 диапазон компенсируощих токов 5 10 15 20 25 30 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 монослоя,Перед измерением поверхностного давления и вязкости пленки пластину Вильгельми 3, в качестве которой обычно используют фильтровальную бумагу с периметром погрукаемой в жидкость части 60 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 постоянную массу и готова к работе. Затем на поверхность жидкой субфазы в специаг ьной ванне 18 наносчт исследуемую пленку 19, например лэнгмюровскую пленку, Пластину Вильгельми частично погружают в 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 фототок 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 взаимно перпендикулярных направлениях Х и У, Движение в направлении У возникает из-за того, что под действием силы поверхностного давления пленки 18, смачивающей пластину Вильгельми 3, последняя изменяет свою массу. Усилие передается через проволочный держатель 4, пластину с оптической щелью 5 и ось б плоской пружине 1. В результате плоская пружины 1 отклоняется 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 фототоков, который усиливается усилителем 13 и измеряется микроамперметром 15. Измеренный ток соответствует поверхностному давлению пленки, Кроме того, этот ток поступает на катушку 8, которая втягивает сердечник 2, апоследний тянет плоскую пружину 2 в направлении, противополокном 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 и рототипом, (увствител ьн ость 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 движения 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 й газ - двумерня жидкость" и "двумерная жидкость - двумерное твердое тело". нанесение в которых позволяет получать наиболее стойкие ЛБ-монослои. Типичный график зависимости л-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 шумов30 35 40 45 50 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, о т л и ч а ю щ и й с я 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 55 диодов, а выход - к второму амперметру,5 10 15 20 25 применяемсго для измерений;т-А-иэоерм оборудования, а также при нанесении веществ со сложной 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 Вильгельми от вертикали в процессе сжатия лэнгмюровской пленки), точки фазовых переходов А и В 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 ЛБ- пленок за счет расширения класса наносим ы х веществ. Формула изобретения1774230 Составитель С.Зуев Техред М.Моргентал Корректор З.Салко Редактор Т,федотов Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ ЭМ 2. Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 11 З 035, Москва, Ж-ЗБ, Раушская наб., 4/5