Молекулярные структуры и фазовые переходы на межфазных границах по данным рассеяния синхротронного излучения

• Автор: Тихонов, Алексей Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 157 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Теория

1.1. Коэффициент преломления вещества в рентгеновском диапазоне

1.2. Кинематика рассеяния на поверхности жидкости

1.3. Критический угол границы жидкость-жидкость

1.4. Коэффициенты Френеля для шероховатых поверхностей

1.5. Метод рефлектометрии

1.6. Метод незеркального рассеяния

1.7. Метод скользящей дифракции

Глава 2. Методика эксперимента

2.1. Универсальный спектрометр для исследования поверхности жидкости
2.2. Методика измерений
2.3. Ячейки для исследования поверхности жидкости
2.4. Термостат для исследования поверхности жидкости
2.5. Измерения поверхностного натяжения
Г лава 3. Ширина границы алкан - вода
3.1. Очистка углеводородных жидкостей
3.2. Коэффициент отражения границы алкан - вода
3.3. Анализ данных
3.4. Обсуждение
Глава 4. Критическое поведение монослоёв липидов на границе
алкан — вода
4.1. Растворы поверхностно-активных веществ в алканах
4.2. Энтальпия фазового перехода на границе алкан - вода
4.3. Коэффициент отражения и модели поверхностных фаз
4.3.1. Низкотемпературная фаза адсорбированного слоя алканола-Сы
на границе н-гексан - вода
4.3.2. Низкотемпературная фаза монослоёв алканолов-С2о, -С22, -С24, -Сзо
на границе н-гексан - вода
4.3.3. Низкотемпературная фаза монослоёв алкаиолов-С24, -Сзо на границе н-гексадекан - вода
4.3.4. Низкотемпературная фаза монослоёв РСцОН и РСпОН на границе н-гексан - вода
4.3.5. Высокотемпературная фаза алканольных монослоёв
4.3.6. Фазы монослоёв кислот-С^, -С2о, -С30 на границе н-гексан - вода
4.4. Диффузное рассеяние в окрестности Тс
4.5. Температурная зависимость коэффициента отражения
4.6. Критические параметры монослоёв при фазовом переходе Марченко
4.7. Обсуждение
Глава 5.
Переходный слой на границе н-гексан - кремнезёмный гидрозоль
5.1. Монодисперсные кремнезёмные гидрозоли Ludox
5.2. Коэффициент отражения границы н-гексан — гидрозоль
5.3. Модели границы н-гексан - гидрозоль
5.4. Скользящее малоугловое рассеяние
5.5. Поверхностная плотность ионов и наночастиц
5.6. Электрический двойной слой на границе н-гексан - гидрозоль
5.7. Плотность воды в электрическом двойном слое
5.8. Обсуждение
Глава 6. Переходный слой на границе воздух - кремнезёмный гидрозоль
6.1. Одноионная электростатическая свободная энергия Харкаца-Улструпа
6.2. Монодисперсные кремнезёмные золи Ludox, обогащенные К+, Rb+ и Cs+
6.3. Коэффициент отражения границы воздух — гидрозоль
6.4. Модели мультислоя
6.5. Первое борновскос приближение
6.6. Влияние размера иона на адсорбцию в переходном слое
6.7. Скользящая дифракция
6.8. Кристаллизация ионов Na+ на поверхности гидрозоля
6.9. Электрический двойной слой на границе воздух-вода
Заключение
Литература
Введение
Многие явления, происходящие на межфазной границе масло - вода, имеют важные практические применения. Например, свойство поверхностно-активных веществ понижать энергию межфазных границ и, тем самым, способствовать перемешиванию на микроскопическом масштабе обычно несмешивающихся материалов, используется во многих промышленных технологиях, в бытовых целях и в научных методах исследования сложных химических и биологических систем [1-3]. Небольшие неорганические ионы играют ключевую роль во множестве электрохимических процессов на границе газ - жидкость или жидкость - жидкость, имеющих фундаментальное значение для биофизики, коллоидной химии, физической химии поверхностей, атмосферной химии и энергетики [4-8]. Например, часто посредниками во взаимодействии протеинов с биологическими липидными мембранами выступают катионы электролита [9].
Данная диссертация посвящена исследованию макроскопически плоской границы (интерфейса), образованной двумя несмешивающимися жидкостями: насыщенным углеводородом (неполярный органический растворитель) и водой (раствор электролита). В такой гетерогенной системе на межфазной границе нарушается изотропность объёмных фаз и, по соображениям симметрии, для неё допускается существование перпендикулярного поверхности вектора поляризации. Благодаря микроскопическим взаимодействиям компонентов объемных фаз, в «поверхностном электрическом двойном слое» граница сильно поляризуется и в результате на ней часто возникает неоднородный и даже анизотропный (в плоскости интерфейса) переходный слой [10, 11]. Электрические, термодинамические и другие характеристики этого слоя обусловлены расслоением в нём компонентов жидких фаз, ионизацией и адсорбцией полярных молекул. Обычно на границе соприкосновения жидкость — жидкость его ширина составляет от ~ 0.5 до ~ 100 нм, и предсказать из общих соображений организацию молекул в этих естественных наноструктурах, как правило, невозможно. Экспериментальное определение строения переходного слоя на молекулярном уровне является одной из важнейших проблем в области поверхностных явлений.
Исторически представление о строении поверхности жидкости (например, поверхности электрод — раствор электролита) формировалось на измерениях макроскопических равновесных характеристик «поверхностного электрического

Глава 3. Исследование границы алкан - вода
Эта глава диссертации посвящена исследованию макроскопически плоской границы двух объёмных жидких фаз алкан (насыщенный углеводород) — вода (см. рис. 3.1). Эта система является важной модельной системой в проблеме самоорганизации углеродных цепей и имеет отношение к строению и функционированию биологических интерфейсов, а также к множеству технологических приложений. Согласно экспериментальным данным, коэффициент отражения этой поверхности описывается моделью с одним параметром а, который является шириной интерфейса и величина которого сильно отличается от предсказания стандартной теории капиллярных волн.
Рис. 3.1. Коэффициент отражения границы алкан - вода описывается моделью с единственным параметром а
3.1. Очистка углеводородных жидкостей
Во всех экспериментах использовалась чистая деионизированная вода с удельным сопротивлением -18.2 МОм'СМ, полученная на установке Bamstead NanoPureUV. Насыщенные углеводороды (алканы) СтН2га+2 (содержание примесей менее 1%) были приобретены у компании Aldrich-Sigma. Оказалось, что все они содержат небольшое количество поверхностно-активных примесей, из-за адсорбции которых поверхностное натяжение границы алкан — вода в течение нескольких часов заметно понижается (~ 30%).
Очистка углеводородных жидкостей от поверхностно-активных примесей производилась в стеклянной хромотографической колонке, эскиз которой представлен на рис. 3.2. В качестве сорбента использовался порошок оксида алюминия (alumina basic), приобретенного у компании Supelco. Углеводородная жидкость загружается в колонку сверху в резервуар объемом 0.5 л и под действием силы тяжести просачивается через толстый слой сорбента (~ 30 см) в стеклянную ёмкость. Для того

АЛКАН ра, a f
■ ■ z0=o