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Una monocapa es una sola capa de átomos o moléculas estrechamente empaquetados.^[1] En algunos casos es referido también a una capa monomolecular autoensamblada.^[2]

Historia

Véase también: Anexo:Historia de las monocapas

Las monocapas superficiales son conocidas desde la antigüedad, aunque hasta principios del siglo XX no se estudiaron en profundidad. Langmuir fue galardonado con el premio Nobel de Química en 1932 por sus estudios de la química de superficies, usando monocapas flotantes para aprender sobre la naturaleza de las fuerzas intermoleculares. Estos trabajos fueron posibles gracias a Katherine Blodgett, una ingeniosa investigadora que inventó un aparato para transferir las monocapas de ácidos grasos formadas en la superficie del agua sobre sustratos sólidos, abriendo de ese modo una importante línea de investigación con muchísimas aplicaciones.

Química

Monocapa de Langmuir

Una monocapa de Langmuir o monocapa insoluble es una capa de una molécula de espesor de un material orgánico insoluble que extiende sobre una subfase acuosa. Los compuestos tradicionales utilizados para preparar monocapas de Langmuir son materiales anfifílicos que poseen un grupo de cabeza hidrófilo y una cola hidrófoba. Desde la década de 1980 un gran número de otros materiales han sido empleados para producir monocapas de Langmuir, algunos de las cuales son semi-anfifílicos, incluyendo macromoléculas, tales como polímeros. Las monocapas de Langmuir son ampliamente estudiadas en la fabricación de películas de Langmuir-Blodgett (películas LB), que se forman por monocapas transferidas sobre un sustrato sólido.

Monocapa de Gibbs

Una monocapa de Gibbs o monocapa soluble es una monocapa formada por un compuesto que es soluble en una de las fases separadas por la interfaz en la que se forma la monocapa.

Monocapa autoensamblada

Las monocapas o películas autoensambladas (SAM, del inglés self-assembled monolayer), son conjuntos moleculares formados espontáneamente en la superficie por adsorción (autoensamblaje molecular) y están organizados en más o menos grandes dominios ordenados.^[3]^[4]

En determinadas ocasiones la selección adecuada del sustrato y del precursor puede conducir a la adherencia directa de las moléculas disueltas sin que medie la evaporación del disolvente. Los autoensamblados son agregados moleculares que se forman espontáneamente al sumergir un sustrato en una disolución de surfactante. Se trata de un proceso de quimisorción exotérmico, el calor desprendido oscila entre los 150-200 kJ/mol.

Tipos de enlaces

Los enlaces pueden ser:

• Covalentes: como los que se originan entre compuestos derivados del silano y superficies de vidrio.

• Covalentes polares: como en el caso de alcanotioles sobre superficies de oro (S-Au).^[5]

• Iónicos: como en el caso de ácidos carboxílicos sobre superficies de plata (CO₂^--Ag⁺).

Estructuras de las SAMs

La cabeza, que es el lugar donde la molécula anfifílica se une al sustrato. Es la parte esencial de la molécula. Los grupos de cabeza son generalmente: -SH, -SR', - Si(OH)₃ y -COOH. Es la parte que proporciona un proceso más exotérmico, es decir la quimisorción en la superficie del sustrato. La energía asociada viene a ser de unos 100-200 kJ/mol. Como resultado de esta interacción exotérmica las moléculas tratan de ocupar cada uno de los sitios que hay disponibles en la superficie del sustrato.
La cadena alifática o cola, que origina la aparición de fuerzas de van der Waals entre las cadenas produciendo así la organización de la monocapa. Este proceso también es exotérmico, su energía es menor (de aproximadamente 40 kJ/mol). Es evidente que con estas energías sería muy difícil que se produjera el autoensamblaje y, desde luego, es la quimisorción de la cabeza polar la que facilita este proceso. Cuando se introduce un grupo polar en la cadena, también existen interacciones electrostáticas que en algún caso son más importantes que la propia atracción entre cadenas.
El grupo terminal, que es el que proporciona la funcionalidad del SAM. Generalmente es un grupo metilo –CH₃, pero se puede modificar una vez finalizada la formación de la monocapa. Los grupos metilos terminales se hallan desordenados a temperatura ambiente, mientras que los grupos hidroxilo (OH) están organizados. La energía asociada es del orden de 3 kJ/mol algo mayor que la energía que proporciona la agitación térmica a temperatura ambiente.
El sustrato, que es donde se anclan las moléculas de surfactante por quimiadsorción, debido a que es un proceso que se debe a una reacción química, el sustrato y el surfactante no pueden ser cualesquiera, ya que debe favorecer el fenómeno de autoensamblaje. Los sustratos que se utilizan son sustancias inorgánicas tales como Ag, Au, Cu, Ge, Pt, Si, AsGa, SiO₂, entre otros. El oro es uno de los más utilizados.

Biología

Las monocapas se encuentra con frecuencia en biología. Una micela es una monocapa y el lípido estructural de la bicapa lipídica de las membranas biológicas es técnicamente dos monocapas juntas.

Bibliografía

↑ Ter Minassian-Saraga, L. (1994). «Thin films including layers: terminology in relation to their preparation and characterization (IUPAC Recommendations 1994)». Pure and Applied Chemistry (IUPAC) 66 (8): 1667-1738. doi:10.1351/pac199466081667. Consultado el 5 de noviembre de 2012.
↑ Barlow, S.M.; Raval R.. (2003). «Complex organic molecules at metal surfaces: bonding, organisation and chirality». Surface Science reports 50: 201-341. Bibcode:2003SurSR..50..201B. doi:10.1016/S0167-5729(03)00015-3.
↑ Elemans, J.A.A.W.; Lei S., De Feyter S. (2009). «Molecular and Supramolecular Networks on Surfaces: From Two-Dimensional Crystal Engineering to Reactivity». Angewandte Chemie Int.Ed. 48: 7298-7332. doi:10.1002/anie.200806339.
↑ Witte, G.; Wöll Ch. (2004). «Growth of aromatic molecules on solid substrates for applications in organic electronics». Journal of Material Research 19: 1889-1916. Bibcode:2004JMatR..19.1889W. doi:10.1557/JMR.2004.0251.
↑ Love et al.; Estroff, Lara A.; Kriebel, Jennah K.; Nuzzo, Ralph G.; Whitesides, George M. (2005). «Self-Assembled Monolayers of Thiolates on Metals as a Form of Nanotechnology». Chem. Rev. 105 (4): 1103-1170. PMID 15826011. doi:10.1021/cr0300789.