単層

Single closely packed layer of entities such as atoms

単層とは、一般的に原子または分子からなる、密に詰まった単一の物質層です。^[1] 単層は細胞からも作られます。自己組織化単層は、表面上に自然に形成されます。グラフェンや二硫化モリブデンのような層状結晶の単層は、一般的に2D材料と呼ばれます。

種類

水面に浮かぶ両親媒性分子の図

ラングミュア単分子膜または不溶性単分子膜は、ラングミュア・ブロジェットトラフ内の水性サブ相上に広がる、不溶性有機材料の単分子層です。ラングミュア単分子膜の調製に従来用いられてきた化合物は、親水性のヘッドグループと疎水性のテールを持つ両親媒性材料です。1980年代以降、ラングミュア単分子膜の製造には、ポリマー、セラミック、金属ナノ粒子、ポリマーなどの高分子など、半両親媒性を含む多数の材料が用いられてきました。ラングミュア単分子膜は、固体基板上に転写された単分子膜によって形成されるラングミュア・ブロジェット膜（LB膜）の製造に広く研究されています。

ギブス単分子層または可溶性単分子層は、単分子層が形成される界面によって分離された相の 1 つに溶解する化合物によって形成される単分子層です。

プロパティ

形成時間

単分子層形成時間または単分子層時間とは、表面が吸着物（例えば、新鮮なアルミニウムに吸着した酸素）で覆われるのに要する平均時間です。吸着物の吸着係数が1で、表面に到達したすべての分子が再蒸発することなく吸着する場合、単分子層時間はおおよそ以下の式で表されます。

${\displaystyle t={\frac {3\times 10^{-4}\,\mathrm {Pa} \cdot \mathrm {s} }{P}}}$

ここで、 tは時間、Pは圧力です。300 μPa（2×10 ⁻⁶  Torr）の圧力で表面を覆うには約1秒かかります。

単分子層の相と状態方程式

ラングミュア膜天秤において、移動する障壁を用いてラングミュア単分子膜の面積を変化させることで、圧縮または膨張させることができます。圧縮中に界面の表面張力を測定すると、圧縮等温線が得られます。この等温線は、表面圧力（ 、ここでは単分子膜が形成される前の界面の表面張力）と面積（表面濃度 の逆数）の変化を示します。これは、圧力が体積に応じて変化する3次元プロセスに類似しています。 ${\displaystyle \Pi =\gamma ^{o}-\gamma }$ ${\displaystyle \gamma ^{o}}$ ${\displaystyle \Gamma ^{-1}}$

様々な二次元相が検出され、それぞれは相転移によって分離されます。相転移の間、表面圧力は変化しませんが、面積は変化します。これは、通常の相転移では体積は変化しますが圧力は変化しないのと同じです。二次元相は、圧力が増加する順に以下のようになります。

• 二次元気体：単位面積あたりの分子数が少なく、分子間の相互作用も少ないため、三次元気体の状態方程式に類似した理想気体の法則を適用できます。ここではモルあたりの面積です。表面圧力が増加すると、より複雑な方程式が必要になります（ファンデルワールス力、ビリアル力など）。 ${\displaystyle \Pi A=RT}$ ${\displaystyle A}$
• 膨張した液体
• 圧縮液体
• 固体

固相に達した後、領域がさらに減少すると、崩壊が起こり、単層が破壊され、可溶性の凝集体と多層が形成されます。

ギブス単分子層も状態方程式に従い、これはギブス等温線から推測できます。

• 非常に希薄な溶液の場合、ギブス等温線を通して理想気体の法則に類似した別の法則が達成される。 ${\displaystyle \gamma =\gamma _{o}-mC}$ ${\displaystyle \Pi =\Gamma RT}$
• より濃縮された溶液の場合、ラングミュア等温線を適用して、 ${\displaystyle \Gamma =\Gamma _{\max }{\frac {C}{a+C}}}$ ${\displaystyle \Pi =\Gamma _{\max }RT\left(1+{\frac {C}{a}}\right)}$

アプリケーション

単層は、空気と水の界面でも、空気と固体の界面でも、さまざまな用途に使用できます。

ナノ粒子単層は、例えば反射防止特性や超疎水性特性などを持つ機能性表面を作成するために使用できます。^{[2] [3]}

単分子膜は生物学において頻繁に用いられます。ミセルも単分子膜の一種であり、生体膜のリン 脂質二重層構造は厳密には2つの単分子膜から構成されています。ラングミュア単分子膜は、医薬品や毒素の効果を研究するために細胞膜を模倣するためによく用いられます。^[4]

細胞培養

細胞培養において、単層とは、細胞が重なり合って成長するのではなく、すべてが隣り合って成長し、多くの場合、同じ成長表面で互いに接触している細胞の層を指します。

参照

• ラングミュア・ブロジェット膜
• ラングミュア・ブロジェットトラフ
• 自己組織化単分子膜
• 蒸発抑制単分子膜

参考文献

1. Ter Minassian-Saraga, L. (1994). 「層を含む薄膜：その作製と特性評価に関する用語（IUPAC勧告1994）」(PDF) . Pure and Applied Chemistry . 66 (8): 1667–1738 (1672). doi :10.1351/pac199466081667. S2CID  95035065.
2. 「機能性ナノスケールおよびナノ粒子コーティング - Biolin Scientific」Biolin Scientific . 2017年8月3日閲覧。
3. 「オレイン酸の熱分離が量子ドット溶液の特性とラングミュア単分子膜の光電子特性に及ぼす影響 - BioNanoScience」BioNanoScience . doi :10.1007/s12668-017-0412-4.
4. 「細胞膜モデルにおける生体分子の相互作用」（PDF） 。 2017年8月3日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2017年8月3日閲覧。

外部リンク

• 「単層」. IUPAC化学用語集. IUPAC . 2009. doi :10.1351/goldbook.M04015. ISBN 978-0-9678550-9-7。 {{cite book}}:|work=無視されました (ヘルプ)
• 単層
• アーヴィング・ラングミュアが水面上での単分子膜の作製を実演している様子。1939年の映画（YouTube）

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