Взаимодействия предшественников лиотропных мезофаз с подложками Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 539.612

А. Ф. Хашимова, А. И. Бажанова, В. В. Осипова ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРЕДШЕСТВЕННИКОВ ЛИОТРОПНЫХ МЕЗОФАЗ С ПОДЛОЖКАМИ

Ключевые слова: ПАВ, гомеотропный ориентант, ITO.

Представлены результаты смачивания и адгезионного взаимодействия ПАВ с гомеотропными ориентантами с различной свободной поверхностной энергией. Показано влияние природы ориентанта, типа надмолекулярной организации лиотропных систем на характеристики адгезионного взаимодействия между ориентантом и слоем ПАВ.

Keywords: surfactant, orientant, ITO.

The results of wetting and adhesive interaction of surfactant with homeotropic orientant with different surface free energy are presented. The effect of natural alignment, the type of supramolecular organization of lyotropic systems, the characteristics of the adhesive interaction between orientation and surfactant layer is shown.

Введение

Лиотропные жидкие кристаллы (ЛЖК), образующиеся в ходе процессов самоорганизации амфифиль-ных веществ, обладают полиморфизмом и образуя различные типы анизотропных мезофаз [1]. Введение в лиомезофазы ионов металлов позволяет создавать на их основе материалы с новыми функциональными свойствами, применяемыми в оптоэлектронике, нано-катализе, биотехнологии [2].

Одним из перспективных способов создания современных полифункциональных наноматериалов является использование ЖК темплатов [3]. Лиомезофазы, формирующиеся в системе ПАВ-вода в определенном диапазоне температур и концентраций, образуют упорядоченную структуру, однородную по размеру и геометрии, что дает возможность контролировать организацию молекул в наномасштабе при изменении указанных выше параметров. Известный полиморфизм лиотропных ЖК - ламеллярной, кубической, гексагональной упаковкой молекул - позволяет получать одно-, двух-, и трехмерные матрицы для синтеза нанома-териалов с упорядоченной архитектурой.

В последнее время интенсивно исследуются жидкокристаллические системы как компоненты электронно-оптических устройств. Большинство применений ЖК основано на их использовании в плоско - параллельных ячейках [4]. Для получения материала, обладающего упорядоченной одноосной организацией и, как следствие, поляризованной люминесценцией на стенки ячеек наносятся планарные и гомеотропные ориентанты. К ориентантам предъявляются повышенные требования - ориентирующая пленка должна обеспечивать однородную, стабильную во времени ориентацию жидкого кристалла, быть гидрофобной, свето-, термо-, морозостойкой и прочно связываться с подложкой [5-7]. Наиболее полно отвечает этим требованиям ряд кремнийорганических соединений, обеспечивающих гомеотропную ориентацию жидкого кристалла - при которой молекулы соединений, входящих в состав жидкого кристалла, располагаются в пространстве вертикально по отношению к подложке [8-10].

Поэтому задачей данной работы было исследование зависимости энергии сцепления с ориентированной подложкой поверхностно активных веществ (ПАВ),

образующих ламеллярную и гексагональную лио-тропную мезофазу.

Экспериментальная часть

В качестве ориентантов были использованы гомеотропный ориентанты (табл.1) на основе силокса-нов. Растворы силоксанов в гексане наносили на поверхность чистого кварцевого стекла и стекла ITO методом напыления при вращении (spin-coating). В течение 1 часа стекла с нанесенным ориентантом сушились при 150 °C с последующей смывкой гек-саном излишек ориентанта и сушкой при 150 °C (0,5 часа).

Таблица 1 - Гомеотропные ориентанты

В качестве ПАВ были выбраны неионогенные с разной степенью оксиэтилирования -C12H25O(CH2CH2O)9H (С12ЕО9) и

C12H25O(CH2CH2O)4H (С12ЕО4), обладающие гексагональным и ламеллярным мезоморфизмом, соответственно [2].

Краевой угол смачивания ПАВ определяли на приборе Kruss Easy Drop DSA 20E c системой автодозирования методом сидящей капли при комнатной температуре [4].

Результаты и обсуждение

Прямое определение поверхностного натяжения твердых тел практически невозможно, поэтому характеристикой поверхностных свойств твердых тел служит краевой угол смачивания их жидкостями[4].

Результаты оценки поверхностных энергетических параметров ориентирующих подложек представлены в таблице 2 и 3. При гомеотропной ориентации длинные оси молекул ПАВ в приповерхностном слое перпендикулярны плоскости раздела фаз ПАВ - ориентант.

Таблица 2 - Равновесный краевой угол смачивания поверхности ориентанта

Положительное смачивание наблюдается для всех используемых нами систем, что связано с гидрофобно-стью используемых ориентирующих подложек. Из представленных данных видно, что для ПАВа С12ЕО4 образующего ламеллярную мезофазу характерна большая смачивающая способность, по-видимому, меньший размер полярной части способствует большему растеканию жидкости, то есть взаимодействие с подложкой торцевых частей слабее, чем боковых. Вне зависимости от типа образуемой мезофазы у ПАВов с ориентантом 1 более высокая смачивающая способностью, чем с ориентантами 2 и 3. Для ГГО наблюдается большее взаимодействие, по сравнению со стеклянными подложками для ориентантов 1 и 2. Наличие электропроводящего покрытия оказывает влияние на смачивание, что связано с так называемой «островковой» структурой слоя при нанесении электропроводящего покрытия. Для ориентанта 3 наблюдается обратное явление, связанное с большим размером прекурсора силоксана. Однако, для более обоснованной интерпретации полученных данных необходимы дальнейшие исследования.

Результаты исследования смачивания позволяют перейти к расчету работы адгезии ПАВ к поверхности ориентантов по уравнению Юнга-Дюпре и судить о энергии сцепления.

Таблица 3 - Работа адгезии Н/м) ПАВ к

поверхности ориентанта

Анализ расчетных характеристик показал, что на адгезионное взаимодействие оказывает существенное влияние как ориентант, так и тип образуемой ПАВ мезофазы. С12ЕО4 характеризуется меньшей адгезией к исследуемым поверхностям, чем С12ЕОд. Наличие

ITO приводит к увеличению работы адгезии для ориентантов 1 и 2, что коррелирует с данными по смачиванию. Адгезия к поверхности с нанесенным 3 ориентантом для обоих ПАВ близка и не зависит от длины оксиэтилированной цепи.

Заключение

Полученные результаты показали, что для создания лиотропных жидкокристаллических ячеек, с целью исследования возможности управления ими магнитными и/или электрическими полями лучше применять 1 ориентант с ITO (табл.1). В дальнейшем нами планируется продолжить исследование взаимодействия с подложками лиотропных ланта-нидомезогенов с гексагональной и ламеллярной надмолекулярной упаковкой, с целью установлении возможности управления ячейками, содержащими лиомезофазы магнитными и/или электрическими полями.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 15-3720441 мол_а_вед.

Литература

1. N.K. Gaisin, O.I. Gnezdilov, T.N. Pashirova, E.P. Zhil'tsova, S.S. Lukashenko, L.Ya. Zakharova, V.V. Osipova, V.I. Dzhabarov, Yu.G. Galyametdinov, Kol-loidnyi Zhurnal, 6, 72, 755-761 (2010).

2. В.В. Осипова, Н.М. Селиванова, Д.Е. Дановский, Ю.Г. Галяметдинов, Вестник Казанского технологического университета, 5, 30-35 (2007).

3. M.F. DePierro, K.G. Carpenter, C.A. Guymon, Chemistry of Materials, 18, 23, 5609-5617 (2006).

4. А. И. Галеева, Е. Ю. Русакова, К. И. Ситдикова, С. А. Богданова, Ю. Г. Галяметдинов, Жидкие кристаллы и их практическое использование, 2, 40, 76 - 85 (2012).

5. I. Dierking, Textures of Liquid Crystals Weiheim: Wi-ley-VCH, 14, 33 - 42 (2003).

6. П. Де Жен, Физика жидких кристаллов. Мир, Москва,. 400 с. (1977).

7. К. Mino, К. Ogawa, Langmuir, 7, 1468-1472 (1991).

8. М. Striccoli, M.L.Curri, R.Comparelli, Lecture Notes in Nanoscale Sci. and Tech., 5, 173-192 (2009).

9. В.В. Осипова, Л.О. Заскокина, Ю.Г. Галяметдинов, Вестник Казанского технологического университета, 16, 22, 28-30 (2013).

10. М. Tamborra, М. Striccoli, R. Comparelli, M.L. Curri, А. Petrella, А. Agostiano, Nanotechnology, 15, 240-244 (2004).

Индекс ориентанта Стекло ITO Стекло ITO

С12ЕО9 С12ЕО4

I 0,96 0,97 0,96 0,98

II 0,73 0,78 0,89 0,93

III 0,72 0,59 0,90 0,81

Индекс ориентанта Стекло ITO Стекло ITO

С12ЕО9 С12ЕО4

I 58,8 59,1 51,5 52,1

II 51,9 53,4 49,7 50,8

III 51,6 47,7 50,0 47,6

© А. Ф. Хашимова - магистр гр. 535-М2 КНИТУ, [email protected]; А. И. Бажанова - бакалавр гр. 4231-32 КНИТУ, [email protected]; В. В. Осипова - к.х.н., доц. каф. ФКХ КНИТУ, [email protected].

© А. F. Hashimova - master's student of KNRTU gr. 535-М2, [email protected]; A. I Bazhanova - student of KNRTU gr. 4231-32, [email protected]; V. V. Osipova - ph.d., docent of department Ph.C.Ch. KNRTU, [email protected].