мономолекулярный слой

МОНОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ СЛОЙ (моноатомный слой, монослой) - внеш. слой поверхности конденсированной фазы на её границе с др. фазой или с вакуумом. Понятие M. с. применяется и в тех случаях, когда имеется выраженная поверхность, но нет фазы в термоди-намич. понимании (тонкие плёнки, тела биол. природы, мембраны и пр.).

M. с., как правило, является адсорбционным. Ад-сорбц. слой можно считать M. с. тем более строго, чем однороднее по составу и структуре адсорбат и адсорбент. Толщина разл. M. с. колеблется от межатомных расстояний (адсорбция одноатомных молекул на совершенных плотноупакованных гранях монокристаллов) до размеров адсорбиров. макромолекул (до ~10³-10⁴ ).

Частицы M. с. имеют иное, чем в объёме, атомно-молекулярное окружение, вследствие чего условия равновесия сил, действующих в M. с. и в объёме, различны. Свободная энергия, равновесные расстояния между атомами, концентрация примесей и дефектов, плотность зарядов и т. п. параметры в M. с. отличаются от тех же параметров в объёмной фазе (см. Поверхностные явления, Поверхность).

В исследованиях M. с. без использования сверхвысокого вакуума, к-рые проводились до нач. 1960-х гг., установлено, что атомы и молекулы перемещаются в пространстве M. с. из одного локализов. положения в соседнее, если потенц. барьер между этими положениями ниже тепловой энергии. Если время перемещения больше времени нахождения на адсорбц. центрах, то M. с. можно считать двумерным газом, состояние к-рого описывается ур-ниями идеального (либо одной из модификаций реального) двумерного газа; на основе ур-ний состояния двумерного газа получены усреднённые размеры сложных органич. молекул, хорошо согласующиеся с данными, полученными методами малоуглового рассеяния нейтронов и рентг. лучей. При исследовании M. с. в них были обнаружены также фазовые переходы 1-го и 2-го родов, изучена их кинетика и термодинамика.

С 1960-х гг. начались исследования M. с. с применением сверхвысоковакуумной аппаратуры в условиях вакуумной гигиены, т. е. в хорошо контролируемых и поддерживаемых условиях. Появилась возможность дозированного изменения состава, темп-ры, зарядового состояния и др. параметров M. с. и прецизионного измерения этих величин, выяснена их связь с геом., в частности структурными, характеристиками поверхности. Наиб. удобны для исследования M. с. на чистых поверхностях полупроводников и др. монокристаллов, т. к. в таких M. с. наблюдаются анизотропные явления. Для изучения состава и структуры M. с. применяют зондирование поверхности электронными, нейтронными, ионными, молекулярными, рентг., световыми и по-зитронными пучками, автоионную, автоэлектронную, полевую и тепловую эмиссию частиц с исследуемых поверхностей, а также метод зондовой микроскопии. Большинство исследований должно проводиться в условиях сверхвысокого вакуума, что ограничивало возможности этих методов. Применение зондов-острий позволило снять эти ограничения.

Монослои, образовавшиеся на периодических упорядоченных подложках, характеризуются наличием дальнего порядка. Упорядочение структуры M. с. в этом случае навязано структурой подложки. Структурам, с. на жидких или аморфных подложках имеет лишь ближний порядок. В M. с. зафиксированы множества поверхностных фаз с концентрационными и температурными фазовыми переходами между ними.

При исследовании работы выхода чистых поверхностей монокристалла и тех же поверхностей с адсорбированным M. с. были обнаружены значит. расхождения этих величин, значительные концентрац. зависимости и анизотропия работы выхода с разл. граней монокристаллов тугоплавких металлов. Так, работа выхода с грани (110) W изменяется от 5,35 эВ для чистой поверхности до 1,5 эВ при её покрытии монослоем Cs. Аналогичные эффекты найдены и для др. комбинаций M. с. и подложек. Эти исследования имеют важное значение, в частности для эмиссионной электроники.

M. с. щелочных и щёлочноземельных элементов на поверхности тугоплавких и переходных металлов обладают большим положит. зарядом (приблизительно 1 элементарный заряд на атом); в образованных на тех же поверхностях M. с. молекулами O₂, N₂, СО, Cl₂ и молекулами др. галогенов имеют заряд примерно в 10 раз меньший. Нек-рые M. с. образуют сверхструктуры с закономерным чередованием положительно и отрицательно заряженных фрагментов.

Схема бислоя клеточной мембраны (жидкомозаичная модель): 1 - гидрофобные концы; 2 -гидрофильные головки липидов; 3 - молекулы холестерина; 4 - глобула белка; 5 - моно- и олигосахариды.

K M. с. близко примыкают клеточные мембраны, к-рые представляют собой бислой липидных молекул (рис.). Их гидрофобные остатки жирных к-т ("хвосты") обращены навстречу и пронизывают друг друга, а полярные головки остатков фосфорной к-ты, спиртов и углеводов обращены наружу. Вязкость этого жидкокристаллич. образования в 100-1000 раз больше, чем у воды, но глобулярные молекулы белков могут перемещаться вдоль и сквозь мембрану (см. Клеточные структуры).

Свойства M. с. определяют явления катализа, роста кристаллов (в частности, эпитаксиальных плёнок), поведение суспензий, эмульсий; M. с. используют в эмиссионной электронике и микроэлектронике.

Лит.: Большов JI. А. и др., Субмонослойные пленки на поверхности металлов, "УФН", 1977, т. 122, с. 125; Адам-сон А. У., Физическая химия поверхностей, пер. с англ., M., 1979; Крылов О. В., Киселев В. Ф., Адсорбция и катализ на переходных металлах и их оксидах, M., 1981; Крепе E. M., Липиды клеточных мембран, Л., 1981; Чере-пин В. Т., Васильев M. А., Методы и приборы для анализа поверхности материалов. Справочник, К., 1982; Физика поверхности: колебательная спектроскопия адсорбатов, под ред. P. Уиллиса, пер. с англ., M., 1984; Андо Т., Fау-лер А., Стерн Ф., Электронные свойства двумерных систем, пер. с англ., M., 1985; Кумар, Уикрамасингх X., Растровые микроскопы с зондами-остриями, "В мире науки", 1989, № 12. Ю. H. Любитов.

   <<      Предметный указатель      >>