danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2025-69-2-150-158dan-1247Research ArticleТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИTECHNICAL SCIENCESОсобенности формирования, структура и свойства Ленгмюра–Блоджетт пленок поливинилкарбазола с неорганическими наночастицамиFeatures of formation, structure and properties of Langmuir–Blodgett films of poly(vinyl carbаzole) with inorganic nanoparticlesСапсалёвД. В.SapsaliouD. V.

Сапсалёв Дмитрий Владимирович – мл. науч. сотрудник; аспирант

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск

ул. Советская, 18, 220030, Минск

Sapsaliou Dmitry V. – Junior Researcher; Postgraduate Student

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

18, Sovetskaya Str., 220030, Minsk

dsapsalev@list.ruМельниковаГ. Б.MelnikovaG. B.

Мельникова Галина Борисовна – канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск

Melnikova Galina B. – Ph. D. (Engineering), Senior Researcher

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

galachkax@gmail.comТолстаяТ. Н.TolstayaT. N.

Толстая Татьяна Николаевна – науч. сотрудник

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск

Tolstaya Tatyana N. – Researcher

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

tolstaya.tn@yandex.ruЧижикС. А.ChizhikS. A.

Чижик Сергей Антонович – академик, д-р техн. наук, профессор, гл. науч. сотрудник

ул. П. Бровки, 15, 220072, Минск

Chizhik Sergei A. – Academician, D. Sc. (Engineering), Professor, Chief Researcher

15, P. Brovka Str., 220072, Minsk

chizhik_sa@tut.byИнститут тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси; Белорусский государственный педагогический университет имени Максима ТанкаA. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of Belarus; Belarusian State Pedagogical University named after Maxim TankИнститут тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук БеларусиA. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of Belarus202506052025692150158Copyright © Сапсалёв Д.В., Мельникова Г.Б., Толстая Т.Н., Чижик С.А., 20252025Сапсалёв Д.В., Мельникова Г.Б., Толстая Т.Н., Чижик С.А.Sapsaliou D.V., Melnikova G.B., Tolstaya T.N., Chizhik S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/1247

Разработана методика формирования тонкопленочных наноструктурированных покрытий на основе поливинилкарбазола (ПВК) с наночастицами диоксида кремния и оксида цинка методом Ленгмюра−Блоджетт (ЛБ). На основании анализа изотермы сжатия монослоя ПВК и данных атомно-силовой микроскопии о структурно-морфологических характеристиках ЛБ-пленок, сформированных способом горизонтального осаждения на поверхности гидрофилизированных кремниевых подложек при различных значениях поверхностного давления (π), установлено, что плотные покрытия на основе ПВК формируются при π = 15 мН/м. Оптимальное содержание наночастиц (на 1 моль полимера) в суспензиях для получения однородных наноструктурированных покрытий составляет до 24,44 ‧ 103 моль (для SiO2) и до 4,53 ‧ 103 моль (для ZnO). Описан характер влияния введения наночастиц на структуру, смачиваемость и локальные механические характеристики формируемых композиционных покрытий. На основании рассчитанных значений модуля сжатия монослоев ПВК, ПВК–SiO2, ПВК–ZnO и комплекса полученных в ходе выполнения работы экспериментальных данных показано, что модуль сжатия полимерных и нанокомпозиционных монослоев Ленгмюра−Блоджетт может быть использован в качестве количественного критерия оценки плотности формируемых покрытий.

A technique for the forming of thin-film nanostructured coatings based on poly(vinyl carbazole) (PVCz) with silicon dioxide and zinc oxide nanoparticles using the Langmuir−Blodgett (LB) method has been developed. Based on the analysis of the PVCz monolayer compression isotherm and atomic force microscopy data on the structural and morphological characteristics of LB films formed by horizontal deposition on the surface of hydrophilized silicon substrates at different values of surface pressure (π), it has been established that the densest PVCz-based coatings are formed at π = 15 mN/m. The optimal content of nanoparticles (per 1 mol of polymer) in suspensions for obtaining uniform nanostructured coatings is up to 24.44 ‧ 103 mol (for SiO2) and up to 4.53 ‧ 103 mol (for ZnO). The effect of the introduction of nanoparticles on the structure, wettability and local mechanical characteristics of the formed composite coatings is described. Based on the calculated values of the compression modulus of PVCz, PVCz–SiO2, PVCz–ZnO monolayers and a set of experimental data obtained during the work, it is shown that the compression modulus of polymer and nanocomposite LB monolayers can be used as a quantitative criterion for assessing the density of the formed coatings.

метод Ленгмюра–Блоджеттполивинилкарбазолтонкие нанокомпозиционные пленкиатомно-силовая микроскопиянеорганические наночастицыLangmuir–Blodgett methodpoly(vinyl carbazole)thin nanocomposite filmsatomic force microscopyinorganic nanoparticlesРабота выполнена в рамках государственной программы научных исследований на 2021– 2025 гг. «Энергетические и ядерные процессы и технологии», подпрограммы «Энергетические процессы и технологии» (задание 2.25).The investigation was performed within the state program of scientific research for 2021–2025 “Energy and nuclear processes and technologies”, subprogram “Energy processes and technologies” (assignment 2.25).ReferencesA Comprehensive review on polymer nanocomposites; classification, properties and potential applications / A. Khan, S. Iqbal, M. Khan [et al.] // Journal of Nanoscope. – 2023. – Vol. 4, N 1. – P. 45–74. https://doi.org/10.52700/jn.v4i1.88A Comprehensive review on polymer nanocomposites; classification, properties and potential applications / A. Khan, S. Iqbal, M. Khan [et al.] // Journal of Nanoscope. – 2023. – Vol. 4, N 1. – P. 45–74. https://doi.org/10.52700/jn.v4i1.88Ganesan, V. Some issues in polymer nanocomposites: Theoretical and modeling opportunities for polymer physics / V. Ganesan // Journal of Polymer Science. Part B: Polymer Physics. – 2008. – Vol. 46, N 24. – P. 2666–2671. https://doi.org/10.1002/polb.21587Ganesan, V. Some issues in polymer nanocomposites: Theoretical and modeling opportunities for polymer physics / V. Ganesan // Journal of Polymer Science. Part B: Polymer Physics. – 2008. – Vol. 46, N 24. – P. 2666–2671. https://doi.org/10.1002/polb.21587Hanemann, T. Polymer-nanoparticle composites: from synthesis to modern applications / T. Hanemann, D. V. Szabó // Materials. – 2010. – Vol. 3, N 6. – P. 3468–3517. https://doi.org/10.3390/ma3063468Hanemann, T. Polymer-nanoparticle composites: from synthesis to modern applications / T. Hanemann, D. V. Szabó // Materials. – 2010. – Vol. 3, N 6. – P. 3468–3517. https://doi.org/10.3390/ma3063468Martín-García, B. Block copolymer assisted self-assembly of nanoparticles into Langmuire–Blodgett films: Effect of polymer concentration / B. Martín-García, M. Mercedes Velázquez // Materials Chemistry and Physics. – 2013. – Vol. 141, N 1. – P. 324–332. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2013.05.017Martín-García, B. Block copolymer assisted self-assembly of nanoparticles into Langmuire–Blodgett films: Effect of polymer concentration / B. Martín-García, M. Mercedes Velázquez // Materials Chemistry and Physics. – 2013. – Vol. 141, N 1. – P. 324–332. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2013.05.017Conjugated polymers as Langmuir and Langmuir–Blodgett films: Challenges and applications in nanostructured devices / R. Da Rocha Rodrigues, R. L. C. G. da Silva, L. Caseli, L. O. Peres // Advances in Colloid and Interface Science. – 2020. – Vol. 285. – Art. 102277. https://doi.org/10.1016/j.cis.2020.102277Conjugated polymers as Langmuir and Langmuir–Blodgett films: Challenges and applications in nanostructured devices / R. Da Rocha Rodrigues, R. L. C. G. da Silva, L. Caseli, L. O. Peres // Advances in Colloid and Interface Science. – 2020. – Vol. 285. – Art. 102277. https://doi.org/10.1016/j.cis.2020.102277Structure and characterization of nanocomposite Langmuir−Blodgett films of poly(maleic monoester)/Fe3O4 nanoparticle complexes / D. K. Lee, Yo. S. Kang, Ch. S. Lee, P. Stroeve // Journal of Physical Chemistry B. – 2002. – Vol. 106, N 29. – P. 7267–7271. https://doi.org/10.1021/jp014446tStructure and characterization of nanocomposite Langmuir−Blodgett films of poly(maleic monoester)/Fe3O4 nanoparticle complexes / D. K. Lee, Yo. S. Kang, Ch. S. Lee, P. Stroeve // Journal of Physical Chemistry B. – 2002. – Vol. 106, N 29. – P. 7267–7271. https://doi.org/10.1021/jp014446tSynthesis of uniformly dispersed large area polymer/AgNPs thin film at air-liquid interface for electronic application / R. Mishra, R. K. Pandey, S. Jana [et al.] // Materials Today Communications. – 2020. – Vol. 24. – Art. 101191. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101191Synthesis of uniformly dispersed large area polymer/AgNPs thin film at air-liquid interface for electronic application / R. Mishra, R. K. Pandey, S. Jana [et al.] // Materials Today Communications. – 2020. – Vol. 24. – Art. 101191. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101191Phase transitions in polymer monolayers: Application of the Clapeyron equation to PEO in PPO–PEO Langmuir films / L. Deschênes, J. Lyklema, C. Danis, F. Saint-Germain // Advances in Colloid and Interface Science. – 2015. – Vol. 222. – P. 199–214. https://doi.org/10.1016/j.cis.2014.11.002Phase transitions in polymer monolayers: Application of the Clapeyron equation to PEO in PPO–PEO Langmuir films / L. Deschênes, J. Lyklema, C. Danis, F. Saint-Germain // Advances in Colloid and Interface Science. – 2015. – Vol. 222. – P. 199–214. https://doi.org/10.1016/j.cis.2014.11.002Jun-Fu, Liu. Langmuir–Blodgett films of poly-N-vinylcarbazole prepared by radical polymerization method / JunFu Liu, Zu-Hong Lu, Kong-Zhang Yang // Thin Solid Films. – 1998. – Vol. 322, N 1–2. – P. 308–313. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(97)00942-5Jun-Fu, Liu. Langmuir–Blodgett films of poly-N-vinylcarbazole prepared by radical polymerization method / JunFu Liu, Zu-Hong Lu, Kong-Zhang Yang // Thin Solid Films. – 1998. – Vol. 322, N 1–2. – P. 308–313. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(97)00942-5Room temperature operated ammonia gas sensor using polycarbazole Langmuir–Blodgett film / V. Saxena, S. Choud-hury, S. C. Gadkari [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2005. – Vol. 107, N 1. – P. 277–282. https://doi.org/10.1016/j.snb.2004.10.011Room temperature operated ammonia gas sensor using polycarbazole Langmuir–Blodgett film / V. Saxena, S. Choud-hury, S. C. Gadkari [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. – 2005. – Vol. 107, N 1. – P. 277–282. https://doi.org/10.1016/j.snb.2004.10.011Тонкие композиционные пленки полиметилметакрилата с наночастицами диоксида кремния / Д. В. Сапсалёв, Г. Б. Мельникова, В. А. Лапицкая [и др.] // Журнал Белорусского государственного университета. Химия. – 2021. – № 2. – С. 36–49. https://doi.org/10.33581/2520-257X-2021-2-36-49Sapsaliou D. V., Melnikova G. B., Lapitskaya V. А., Tolstaya T. N., Kuznetsova T. A., Kotov D. A., Chizhik S. A. Thin composite polymethyl methacrylate films with silicon dioxide nanoparticles. Zhurnal Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta. Khimiya = Journal of the Belarusian State University. Chemistry, 2021, no. 2, pp. 36-49 (in Russian). https://doi. org/10.33581/2520-257X-2021-2-36-49Исследование структурных и пьезоэлектрических свойств пленок ПВДФ, полученных методом Ленгмюра–Блоджетт / И. А. Горбачев, А. В. Смирнов, Е. С. Шамсутдинова [и др.] // Известия Российской академии наук. Серия физическая. – 2021. – Т. 85, № 6. – С. 777–782.Gorbachev I. A., Smirnov A. V., Shamsutdinova E. S., Kashin V. V., Anisimkin V. I., Kolesov V. V., Kuznetsova I. E., Yudin S. G. Studying the structural and piezoelectric properties of PVDF films obtained using Langmuir–Blodgett technology. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2021, vol. 85, no. 6, pp. 603–607. https://doi.org/10.3103/s1062873821060101A Langmuir–Schaefer approach for the synthesis of highly ordered organoclay thin films / L. M. Toma, R. Y. N. Gengler, E. B. Prinsen [et al.] // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2010. – Vol. 12, N 38. – P. 12188–12197. https://doi.org/10.1039/c0cp00286kA Langmuir–Schaefer approach for the synthesis of highly ordered organoclay thin films / L. M. Toma, R. Y. N. Gengler, E. B. Prinsen [et al.] // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2010. – Vol. 12, N 38. – P. 12188–12197. https://doi.org/10.1039/c0cp00286kJohnson, K. L. Surface energy and the contact of elastic solids / K. L. Johnson, K. Kendall, A. D. Roberts // Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. – 1971. – Vol. 324, N 1558. – P. 301–313. https://doi.org/10.1098/rspa.1971.0141Johnson, K. L. Surface energy and the contact of elastic solids / K. L. Johnson, K. Kendall, A. D. Roberts // Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. – 1971. – Vol. 324, N 1558. – P. 301–313. https://doi.org/10.1098/rspa.1971.0141Kaelble, D. H. Dispersion-polar surface tension properties of organic solids / D. H. Kaelble // Journal of Adhesion. – 1970. – Vol. 2, N 2. – Р. 66–81. https://doi.org/10.1080/0021846708544582Kaelble, D. H. Dispersion-polar surface tension properties of organic solids / D. H. Kaelble // Journal of Adhesion. – 1970. – Vol. 2, N 2. – Р. 66–81. https://doi.org/10.1080/0021846708544582

The authors declare that there are no conflicts of interest present.