Silanization of silicon and mica
સિલિકોન અને અભ્રકનું સિલાનીકરણ એ સ્વ-સંયોજન એકમોના પાતળા સ્તર સાથે આ સામગ્રીનું કોટિંગ છે. પરમાણુ બળ માઇક્રોસ્કોપી (એ. એફ. એમ.) નો ઉપયોગ કરીને પ્રોટીનના સિલનાઇઝેશન નેનોસ્કેલ વિશ્લેષણના જૈવિક ઉપયોગો માટે ઘણી પ્રાયોગિક તકનીકો માટે સારી રીતે વ્યાખ્યાયિત ટોપોલોજી અને રસાયણશાસ્ત્ર સાથેની સપાટીઓની જરૂર પડે છે. બાયોમોલેક્યુલ્સ, ખાસ કરીને પ્રોટીન, હાઇડ્રોફોબિક અથવા ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ દ્વારા ફક્ત બિનપરિવર્તિત સબસ્ટ્રેટ સપાટી પર સ્થિર થઈ શકે છે. જો કે, સપાટી પર પ્રોટીનના ભૌતિક શોષણ સાથે ઘણી સમસ્યાઓ સંકળાયેલી છે. ધાતુની સપાટીઓ સાથે, પ્રોટીનનું વિકૃતિકરણ, અસ્થિર અને ઉલટાવી શકાય તેવું બંધન, બિન-વિશિષ્ટ અને પ્રોટીનનું અવ્યવસ્થિત સ્થિરીકરણ નોંધવામાં આવ્યું છે. એક વિકલ્પમાં બિન-વિકૃત સંજોગોમાં પ્રોટીન સાથે રાસાયણિક રીતે સુધારેલી સપાટીઓની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાનો સમાવેશ થાય છે. સપાટીઓનો રાસાયણિક ફેરફાર સપાટીના રસાયણશાસ્ત્રને ચોક્કસપણે નિયંત્રિત કરવાની ક્ષમતા પ્રદાન કરે છે, અને યોગ્ય રાસાયણિક ફેરફારો સાથે, આ અભિગમના ઘણા ફાયદા છે. પ્રથમ, સપાટી પર શોષાયેલા પ્રોટીન પરિસ્થિતિઓની વિશાળ શ્રેણીમાં વધુ સ્થિર હોય છે. પ્રોટીન પણ સપાટી પર વધુ સમાન દિશા અપનાવે છે. વધુમાં, વધુ પ્રજનનક્ષમતા સાથે પ્રોટીન સંચયની ઉચ્ચ ઘનતા શક્ય છે. મૂલ્યવાન માહિતી મેળવવા માટે પ્રોટીનને સ્થિર કરવા માટે ઘણા કિસ્સાઓમાં સપાટીઓના રાસાયણિક ફેરફારને સફળતાપૂર્વક લાગુ કરવામાં આવ્યા છે. દાખલા તરીકે, ડીએનએનું અણુ બળ માઇક્રોસ્કોપી ઇમેજિંગ 3-એમિનોપ્રોપીલટ્રીથોક્સિસિલેન (એપીટીઇએસ) સાથે કોટેડ માઇકાનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યું છે. નકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલ ડીએનએ બેકબોન એમાઈન કાર્યક્ષમતા પરના હકારાત્મક ચાર્જ સાથે મજબૂત રીતે બંધાયેલ છે, જે સ્થિર રચનાઓ તરફ દોરી જાય છે જે હવામાં અને બફર બંનેમાં છબી કરી શકાય છે. બેહરેન્સ એટ અલ દ્વારા તાજેતરના અભ્યાસમાં, એમાઇન-સમાપ્ત સિલિકોન સપાટીઓનો તબીબી હેતુઓ માટે અસ્થિ મોર્ફોજેનેટિક પ્રોટીન 2 (બીએમપી 2) ને સ્થિર કરવા માટે સફળતાપૂર્વક ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. હાઇડ્રોજન-સમાપ્ત સિલિકોન સપાટી). 14 એમાઇન જૂથો (ખાસ કરીને એ. પી. ટી. ઇ. એસ.) સાથેના અણુઓ જૈવિક ઉપયોગો માટે મહત્વપૂર્ણ છે, કારણ કે તેઓ બાયોમોલેક્યુલ્સ સાથે સરળ ઇલેક્ટ્રોસ્ટેટિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ માટે પરવાનગી આપે છે. સ્વ-એસેમ્બલ મોનોલેયર્સ (એસએએમ) નો ઉપયોગ કરીને સપાટીઓનું કાર્યાત્મકકરણ સ્વ-એસેમ્બલ મોનોલેયર્સ (એસએએમ) એક અત્યંત બહુમુખી અભિગમ છે જે સપાટીની લાક્ષણિકતાઓનું ચોક્કસ નિયંત્રણ કરવાની મંજૂરી આપે છે. તે 1946 માં બિગેલો એટ અલ દ્વારા રજૂ કરવામાં આવ્યું હતું, પરંતુ 1983 સુધી તેણે વ્યાપક રસ આકર્ષિત કર્યો ન હતો, જ્યારે સોના પર અલ્કેનિથિઓલેટ્સના એસએએમની રચનાની જાણ અલ્લારા એટ અલ દ્વારા કરવામાં આવી હતી. મોનોલેયર્સની સ્વ-એસેમ્બલી ઘણી પ્રણાલીઓનો ઉપયોગ કરીને પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. સ્વ-સંયોજન માટેનો આધાર સપાટી અને સ્તર બનાવતા અણુ વચ્ચે સહસંયોજક બંધનની રચના છે; અને આ જરૂરિયાત વિવિધ રાસાયણિક જૂથો જેમ કે હાઇડ્રોક્સિલેટેડ સામગ્રી (કાચ, સિલિકોન, એલ્યુમિનિયમ ઓક્સાઇડ, માઇકા) પર ઓર્ગેનોસિલેન્સ અને ઉમદા ધાતુઓ પર ઓર્ગેનોસલ્ફર આધારિત સંયોજનો પ્રજાતિઓનો ઉપયોગ કરીને પૂર્ણ કરી શકાય છે. જ્યારે પછીની પ્રણાલી સારી રીતે દર્શાવવામાં આવી છે, ત્યારે સપાટીઓ પર ઓર્ગેનોસિલેન સ્તરોની વર્તણૂક અને મોનોલેયર સંસ્થા અને માળખાને નિયંત્રિત કરતી અંતર્ગત પદ્ધતિઓ વિશે ઘણું ઓછું જાણીતું છે. સિલિકેટ સપાટીઓનું સિલાનીકરણ 40 વર્ષ પહેલાં શરૂ કરવામાં આવ્યું હતું, તેમ છતાં સપાટીઓ પર સરળ સ્તરોની રચનાની પ્રક્રિયા હજુ પણ નબળી રીતે સમજવામાં આવે છે. કદાચ આ પરિસ્થિતિનું સૌથી મહત્વપૂર્ણ કારણ એ છે કે પ્રક્રિયાના ભાગ રૂપે સિલેનકરણને સામેલ કરનારા સંખ્યાબંધ અભ્યાસો સિલેન સ્તરની સંપૂર્ણ લાક્ષણિકતા સાથે સંબંધિત નથી. એક પરિણામ જે સિલેન સ્તરોની લાક્ષણિકતા પરના તાજેતરના અભ્યાસોને એકીકૃત કરે છે તે પ્રતિક્રિયાઓની આત્યંતિક સંવેદનશીલતા પર કેન્દ્રિત છે જે સિલેન સ્તરોની રચના તરફ દોરી જાય છે. ખરેખર, સિલિકેટ સપાટીઓ પર સિલેનના સ્વ-એસેમ્બલ સ્તરો ભેજ, તાપમાન, સિલેન રીએજન્ટમાં અશુદ્ધિઓ અને સિલિકેટ સપાટીના પ્રકાર જેવા વિવિધ પરિમાણો પર આધારિત હોવાનું નોંધવામાં આવ્યું છે. પરમાણુ રૂપે સરળ સ્તરો સાથે સતત અને પુનઃઉત્પાદનક્ષમ રીતે વિવિધ કાર્યાત્મક સપાટીઓ બનાવવા માટે, સિલિકેટ સપાટીઓના રસાયણશાસ્ત્ર અને વિવિધ પરિમાણો સ્વ-એસેમ્બલ સ્તરોની પ્રકૃતિને કેવી રીતે અસર કરે છે તે સમજવું મહત્વપૂર્ણ છે. સિલિકોન અને માઇકા સિલિકોન ઓક્સિડાઇઝ્ડ સિલિકોનની સપાટીની રચનાનો બાયોમોલેક્યુલ્સના સંચય માટે સબસ્ટ્રેટ તરીકે વ્યાપક અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો છે. પિરાન્હા દ્રાવણનો ઉપયોગ સિલિકોનની સપાટી પર પ્રતિક્રિયાશીલ હાઇડ્રોક્સિલ જૂથોની સપાટીની ઘનતા વધારવા માટે થઈ શકે છે. - OH જૂથો હાઇડ્રોલાઇઝ કરી શકે છે અને ત્યારબાદ કાર્બનિક સિલેન પરમાણુઓ સાથે સિલોક્સેન જોડાણ (Si-O-Si) બનાવી શકે છે. સિલાનીકરણ માટે સિલિકોન સપાટીઓની તૈયારીમાં સપાટીના અશુદ્ધિઓને દૂર કરવાનો સમાવેશ થાય છે. આ યુવી-ઓઝોન અને પિરાન્હા દ્રાવણનો ઉપયોગ કરીને પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. ખાસ કરીને પિરાન્હા દ્રાવણ એકદમ કઠોર સારવાર બનાવે છે જે સિલિકોનની સપાટીની અખંડિતતાને સંભવિત નુકસાન પહોંચાડી શકે છે. ફિનલેસન-પિટ્સ એટ અલ. સિલિકોન પર ચોક્કસ સારવારની અસરની તપાસ કરી અને તારણ કાઢ્યું કે કઠોરતા (3-5 Å) અને વેરવિખેર મોટા કણોની હાજરી બંને પ્લાઝ્મા-સારવારના 1 ચક્ર પછી સાચવવામાં આવી હતી. જો કે, પિરાન્હા દ્રાવણ અથવા પ્લાઝ્મા સાથે સારવારના 30 ચક્ર પછી સિલિકોનની સપાટીને નોંધપાત્ર નુકસાન થયું હતું. બંને કિસ્સાઓમાં, સારવારથી સપાટી પર અનિયમિતતા અને મોટા એકત્રીકરણની શરૂઆત થઈ (એકંદર કદ> 80 એનએમ), જ્યારે પિરાન્હાનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો ત્યારે તેની અસર વધુ સ્પષ્ટ થઈ. બન્ને કિસ્સાઓમાં, બહુવિધ સારવારોએ નાના બાયોમોલેક્યુલ્સના સંચય માટે સપાટીને અપૂરતી બનાવી દીધી. અભ્રક અભ્રક એ અન્ય સિલિકેટ છે જેનો જૈવ અણુઓના સંચય માટે સબસ્ટ્રેટ તરીકે વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે. માઇકા સિલિકોન કરતાં નોંધપાત્ર લાભ ધરાવે છે કારણ કે તે પરમાણુની રીતે સરળ છે અને તેથી નાના, સપાટ અણુઓના અભ્યાસ માટે વધુ યોગ્ય છે. તે સામાન્ય સૂત્ર K [Si3Al] O10Al2 (OH) 2 સાથે સ્ફટિકીય માળખું ધરાવે છે અને તેમાં બે સિલિકોન ટેટ્રાહેડ્રલ સ્તરો વચ્ચે સેન્ડવિચ થયેલ ઓક્ટાહેડ્રલ હાઇડ્રોક્સિલ-એલ્યુમિનિયમની શીટ્સ હોય છે. સિલિકોન સ્તરમાં, ચારમાંથી એક સિલિકોન પરમાણુને એલ્યુમિનિયમ પરમાણુ દ્વારા બદલવામાં આવે છે, જે ચાર્જમાં તફાવત પેદા કરે છે જે પડોશી સિલિકોન સ્તરો વચ્ચેના પ્રદેશમાં હાજર અનબાઉન્ડ K + દ્વારા સરભર થાય છે. મસ્કોવાઇટ અભ્રક પોટેશિયમ સ્તરમાં સ્થિત સમતલમાં ફાટવા માટે સૌથી વધુ સંવેદનશીલ હોય છે. જ્યારે તાજી કાપેલી અભ્રકની સપાટીને પાણીના સંપર્કમાં મૂકવામાં આવે છે, ત્યારે હાઇડ્રેટેડ પોટેશિયમ આયનો અભ્રકની સપાટીમાંથી શોષી શકે છે, જે સપાટી પર નકારાત્મક ચાર્જ તરફ દોરી જાય છે. સિલિકોનની જેમ, અભ્રકની સપાટીમાં સિલેન દ્વારા સહસંયોજક જોડાણ માટે સિલાનોલ જૂથોની નોંધપાત્ર ઘનતા હોતી નથી. તાજેતરના એક અભ્યાસમાં જણાવવામાં આવ્યું છે કે તાજી કાપેલી અભ્રક 11 ટકા સિલાનોલ જૂથો ધરાવે છે (એટલે કે, 10માંથી આશરે 1 સિલિકોન પરમાણુ હાઇડ્રોક્સિલ જૂથ ધરાવે છે). જો કે તે શક્ય છે કે સારવાર ન કરાયેલ અભ્રકનો ઉપયોગ કરીને સિલાનીકરણ હાથ ધરવામાં આવે, સક્રિય અભ્રક પર સપાટી પરના સિલાનોલ જૂથોની વધતી ઘનતા સપાટી પર સિલેન અણુઓના સહસંયોજક જોડાણમાં નોંધપાત્ર સુધારો કરી શકે છે. માઈકાને આર્ગોન/પાણીના પ્લાઝ્મા સાથે સારવાર દ્વારા સક્રિય કરી શકાય છે, જે 30 ટકાની સિલાનોલ સપાટીની ઘનતા તરફ દોરી જાય છે. સક્રિય સપાટીઓ સાથે કામ કરવું સક્રિય સપાટીઓ પર સિલાનોલ જૂથોની સ્થિરતા વિશે અન્ય વિચારણા રજૂ કરે છે. જિયાસન એટ અલ. અહેવાલ આપ્યો હતો કે પ્લાઝ્મા-સક્રિય અભ્રકની સરખામણીમાં કોઈ પણ સારવારને આધિન ન હોય તેવા તાજા વિભાજિત અભ્રક પરના સિલાનોલ જૂથો ઉચ્ચ શૂન્યાવકાશ હેઠળ વધુ સ્થિર હોવાનું જણાયું હતુંઃ 64 કલાક પછી, તાજા વિભાજિત અભ્રક પ્લાઝ્મા માટે સિલાનોલ જૂથોનું સપાટીનું આવરણ લગભગ સમાન હતું, જ્યારે સક્રિય અભ્રક માટેનું સપાટીનું આવરણ 3 ગણો ઘટીને 10 ટકા થયું હતું. સિલિકેટ સપાટીઓ પર અણુઓનું શોષણ શોષણ એ પ્રક્રિયાને વર્ણવે છે જેના દ્વારા અણુઓ અથવા કણો સપાટીઓ સાથે જોડાય છે અને શોષણથી અલગ પડે છે, જેના દ્વારા કણો શોષણ કરતી સામગ્રીના જથ્થામાં ફેલાય છે. અધિશોષિત પદાર્થને અધિશોષક કહેવામાં આવે છે, જ્યારે સપાટીને અધિશોષક કહેવામાં આવે છે. શોષણના બે પ્રકારો વચ્ચે તફાવત કરવો સામાન્ય છે, એટલે કે ભૌતિક શોષણ (જેમાં સપાટી પર શોષણ સામગ્રીને પકડીને આંતરઆણ્વિક બળો હોય છે) અને રાસાયણિક શોષણ (જેમાં શોષણ સામગ્રીને સપાટી પર ઉતારતા સહસંયોજક બંધનો સમાવેશ થાય છે). રચાયેલા અધિશોષકના સ્તરની પ્રકૃતિ અધિશોષિત સામગ્રી અને અધિશોષક વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પર આધાર રાખે છે. વધુ સ્પષ્ટ રીતે, શોષણમાં સામેલ પદ્ધતિઓમાં આયન વિનિમય (સમાન રીતે ચાર્જ કરેલા આયનો દ્વારા દ્રાવણમાંથી શોષાયેલા પ્રતિ આયનોને બદલવા), આયન જોડી (દ્રાવણ તબક્કાથી આયનોને વિપરીત ચાર્જ વહન કરતા સબસ્ટ્રેટ્સ પરના સ્થળો પર શોષણ), હાઇડ્રોફોબિક બંધન (સબસ્ટ્રેટ સપાટી પરના જૂથો અને દ્રાવણમાં અણુઓ વચ્ચે બિન-ધ્રુવીય આકર્ષણ), સબસ્ટ્રેટ સપાટી પર આંશિક રીતે ચાર્જ કરેલા સ્થળો અને દ્રાવણમાં વિરુદ્ધ આંશિક ચાર્જ વહન કરતા અણુઓ વચ્ચે પી-ઇલેક્ટ્રોનની ધ્રુવીય ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓનું ધ્રુવીકરણ અને સહસંયોજક બંધનો સમાવેશ થાય છે. શોષણ થવાની વિવિધ રીતો શોષાયેલા સ્તરના પ્રકારને નિયંત્રિત કરવા સાથે સંકળાયેલી જટિલતાઓનો સંકેત આપે છે. ઉપયોગમાં લેવાતા સિલેનનો પ્રકાર એ. પી. ટી. ઇ. એસ. ની જેમ સમસ્યાને વધુ જટિલ બનાવી શકે છે. એ. પી. ટી. ઈ. એસ. એ બાયોમોલેક્યુલ્સના સ્થિરીકરણ માટે ઉપયોગમાં લેવાતો શાસ્ત્રીય અણુ છે અને ઐતિહાસિક રીતે આ ક્ષેત્રમાં અત્યાર સુધીમાં સૌથી વધુ અભ્યાસ કરાયેલ અણુ છે. એ. પી. ટી. ઇ. એસ. માં અણુ દીઠ ત્રણ ઇથોક્સી જૂથો હોવાથી, તે પાણીની હાજરીમાં પોલિમરાઇઝ થઈ શકે છે, જે આડી અને ઊભી દિશામાં એ. પી. ટી. ઇ. એસ. અણુઓ વચ્ચે બાજુની પોલિમરાઇઝેશન તરફ દોરી જાય છે અને સપાટી સાથે જોડાઈ શકે તેવા ઓલિગોમર્સ અને પોલિમરની રચના કરે છે. ઉકેલ-તબક્કાની પ્રતિક્રિયાઓ અથવા વરાળ-તબક્કાની પ્રતિક્રિયાઓનો ઉપયોગ કરીને સ્વ-એસેમ્બલીનો સંપર્ક કરી શકાય છે. દ્રાવણ-તબક્કાના પ્રયોગોમાં, સિલેન નિર્જલ દ્રાવકમાં ઓગળી જાય છે અને સપાટીના સંપર્કમાં મૂકવામાં આવે છે; વરાળ-તબક્કાના પ્રયોગોમાં, માત્ર સિલેનની વરાળ સબસ્ટ્રેટ સપાટી સુધી પહોંચે છે. ઉકેલ-તબક્કાની પ્રતિક્રિયાઓ ઐતિહાસિક રીતે સૌથી વધુ અભ્યાસ કરવામાં આવેલી પદ્ધતિ છે, અને સરળ એમિનોસિલેન ફિલ્મોની રચના માટે જરૂરી પરિસ્થિતિઓના સંદર્ભમાં વિકસિત થયેલી સામાન્ય સર્વસંમતિમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છેઃ (1) સપાટી પર અને દ્રાવણમાં એમિનોસિલેનના પોલિમરાઇઝેશનની માત્રાને નિયંત્રિત કરવા માટે પાણીના સખત નિયંત્રિત ટ્રેસ જથ્થા સાથે ટોલ્યુન જેવા નિર્જલ દ્રાવકની જરૂર પડે છે; (2) ઓલિગોમર્સ અને પોલિમરની રચના ઉચ્ચ સિલેન સાંદ્રતા (> 10 ટકા) પર તરફેણ કરવામાં આવે છે; (3) મધ્યમ તાપમાન (60-90 °C) હાઇડ્રોજન બંધ જેવા બિન-સહસંયોજક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓને વિક્ષેપિત કરી શકે છે, જે ઓછા સિલેન અણુઓ તરફ દોરી જાય છે જે નબળા ટેટલી હોય છે. વધુમાં, સ્થિતિ (3) સબસ્ટ્રેટમાંથી ટોલ્યુએન તબક્કામાં પાણીના શોષણની તરફેણ કરે છે; (4) સિલાનીકરણ પ્રતિક્રિયાને પગલે ટોલ્યુએન, ઇથેનોલ અને પાણી જેવા દ્રાવકોથી કોગળા કરવાથી નબળા બંધાયેલા સિલેન પરમાણુઓને દૂર કરવાની અને સ્તરમાં શેષ એલ્કોક્સી જોડાણોના હાઇડ્રોલિસિસની તરફેણ કરે છે; (5) ઉચ્ચ તાપમાન (110 ° સે) પર સૂકવણી અને ઉપચાર સિલોક્સેન જોડાણોની રચનાની તરફેણ કરે છે અને એમોનિયમ આયનોને તટસ્થ એમાઇનમાં રૂપાંતરિત કરે છે, જે વધુ પ્રતિક્રિયાશીલ છે. વરાળ-તબક્કાની પ્રતિક્રિયાઓ વરાળ-તબક્કાના સિલનાઇઝેશનને દ્રાવણ અને સિલેન શુદ્ધતામાં ટ્રેસ પાણીની જટિલતાઓને અવગણવાના માર્ગ તરીકે સંપર્ક કરવામાં આવ્યો છે. સિલેનના ઓલિગોમર્સ અને પોલિમર સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા પ્રતિક્રિયા તાપમાને નજીવી વરાળનું દબાણ ધરાવતા હોવાથી, તેઓ જમા દરમિયાન સિલિકેટની સપાટી સુધી પહોંચતા નથી. સિસ્ટમમાં કોઈ દ્રાવક ન હોવાથી, પ્રતિક્રિયામાં પાણીની માત્રાને નિયંત્રિત કરવી સરળ છે. એમિનોસિલેન્સ, ઓક્ટાડેસિલ્ટ્રીમેથોક્સિસિલેન અને ફ્લુઓલકિલ સિલેન સહિત વિવિધ પ્રકારના સિલેનના વરાળ-તબક્કાના સિલાનીકરણ માટે સ્મૂથ મોનોલેયર્સની જાણ કરવામાં આવી છે. જો કે, સબસ્ટ્રેટ સાથે સિલેન પરમાણુઓના જોડાણની પ્રકૃતિ અનિશ્ચિત છે, જો કે જમા થયા પછી સબસ્ટ્રેટને પાણીમાં પલાળીને સિલોક્સેન બંધની રચનાની તરફેણ કરી શકાય છે. ચેન એટ અલ દ્વારા તાજેતરના એક અભ્યાસમાં, એ. પી. ટી. ઇ. એસ. મોનોલેયર્સ વિવિધ તાપમાન અને જમા થવાના સમયે સતત મેળવવામાં આવ્યા હતા. મેળવેલા સ્તરોની જાડાઈ અનુક્રમે 70 °C અને 90 °C પર 5 Å અને 6 Å હતી, જે APTES અણુની અંદાજિત લંબાઈને અનુરૂપ છે અને સૂચવે છે કે દરેક કિસ્સામાં સબસ્ટ્રેટ્સ પર મોનોલેયર્સ રચાય છે. સંદર્ભો સિલિકોન નેનોટેકનોલોજી