Eine Monolage ist eine dünne Schicht aus Atomen, Molekülen oder Partikeln die nur ein einzelnes Atom, Molekül oder Partikel hoch ist. Zur Messung der Eigenschaften der Monolage kann ein Langmuir-Trog und ein kraftbasiertes Tensiometer verwendet werden. Monolagen sind in vielen Industriebereichen von elementarer Bedeutung.
Was sind Monolagen?
Eine Monolage (engl: monolayer) ist eine ultradünne Schicht aus Atomen, Molekülen oder Partikeln, die auf einer anderen Oberfläche abgelagert ist. Diese Schicht ist dabei nur so dick wie ein einzelnes Atom, Molekül oder Partikel.
Ein charakteristisches Merkmal von Monolagen ist ihre Fähigkeit zur Selbstorganisation. Die Moleküle auf der Oberfläche interagieren miteinander sowie mit der Oberfläche selbst. Diese Interaktionen führen zur Bildung regelmäßiger Gitterstrukturen. Die Art der Wechselwirkungen und die Geometrie der Moleküle bestimmen die Art der Gitterstruktur.
Die Eigenschaften von Monolagen unterscheiden sich oft stark von denen des entsprechenden Bulk-Materials, also des dreidimensionalen Festkörpers. In einer Monolage treten quantenmechanische Effekte stärker hervor und elektrische sowie optische Eigenschaften verändern sich deutlich.
Wie kann man Monolagen untersuchen?
Mithilfe eines Langmuir-Trogs und eines kraftbasierten Tensiometers, wie denen der DCAT-Serie von DataPhysics Instruments, ist eine eingehende Untersuchung von Monolagen möglich. Bei der Langmuir-Trog-Methode wird der Oberflächendruck einer Molekülschicht auf einer Wasseroberfläche bestimmt.
Für die Messung wird ein Trog mit Wasser gefüllt. Auf der Wasseroberfläche wird die Monolage aufgebracht. Der Trog ist rechts und links mit verschiebbaren Barrieren begrenzt, die es ermöglichen, die Monolage zu komprimieren. Zwischen diesen Barrieren wird eine Wilhelmy-Platte senkrecht eingetaucht.
Um die Oberflächenspannung präzise zu messen, verwendet man in der Regel eine Wilhelmy-Platte. Dabei handelt es sich um eine kleine, rechteckige Platte aus Platin-Iridium-Legierung, die senkrecht in die Wasseroberfläche eingetaucht ist. Die Wilhelmy-Platte ist mit einer hochpräzisen Waage verbunden, um die aus der an der Platte anhaftenden Flüssigkeitslamelle resultierende Kraft zu ermitteln. Veränderungen dieser Kraft, die durch die Molekülanordnung hervorgerufen werden, werden vom Tensiometer registriert und in den Oberflächendruck umgerechnet. Dieser Oberflächendruck beschreibt, wie stark die aufliegenden Moleküle die reine Oberflächenspannung des Wassers herabsetzen.
Parallel dazu verfügt der Langmuir-Trog über bewegliche Barrieren, mit denen die Monolage auf der Oberfläche gezielt komprimiert werden kann. Während dieser Kompression wird der Oberflächendruck kontinuierlich gemessen. Auf diese Weise lässt sich in Abhängigkeit von der jeweils verfügbaren Fläche pro Molekül ein charakteristisches Diagramm erstellen: die Druck-Flächen-Isotherme. Dieses Diagramm zeigt, wie sich der Oberflächendruck verändert, wenn die Moleküle von einer weit auseinanderliegenden Anordnung über eine dichter gepackte, flüssig-geordnete Phase bis hin zu einer fest-geordneten, komprimierten Struktur übergehen.
Das Messverfahren erlaubt somit eine quantitative Analyse der Eigenschaften von Monolagen. Aus der Form und den Übergängen der Isotherme lassen sich Rückschlüsse auf die Molekülgröße, die Packungsdichte, die Wechselwirkungen und die Stabilität ziehen. Dabei ist entscheidend, dass die Methode die Moleküle nicht direkt sichtbar macht, sondern über die präzise Erfassung des Oberflächendrucks ihre Anordnung und ihr Verhalten indirekt offenlegt.