Màng mỏng trên bề mặt của chất lỏng

13 Màng mỏng bề mặt chất lỏng 13.1 Giới thiệu Sự hấp phụ phân tử amphiphilic bề mặt chất lỏng mạnh mẽ màng đơn phân tử nhỏ gọn, viết tắt đơn lớp, hình thành Thực tế có amphiphiles, không hòa tan chất lỏng Điều dẫn đến đơn lớp không hòa tan Trong trường hợp này, lượng dư bề mặt Γ lượng chất tăng thêm vật liệu chia cho diện tích bề mặt Ví dụ lớp tế bào hình thành amphiphiles axit béo (CH3 (CH2)nC-2COOH) nhiều loại cồn mạch dài (CH3 (CH2)nC-1OH) (xem mục 12.1) Một lớp quan trọng amphiphiles thực tế không tan phospholipid (Hình 13.1), thành phần thiết yếu màng sinh học Phospholipid 1,2-đieste axit béo glyxerol Ở nguyên tử cacbon thứ ba glyxerol este hóa thêm etanol amin phosphoryl, choline, nhóm phân cực khác Có lớp khác chất béo, khác thành phần hóa học nhóm đứng đầu họ Cholines phosphatidyl (PC) zwit-ter-ionic (ion lưỡng cực) nước pH trung tính gốc photphat tích điện âm (H+ phân ly) choline tích điện dương (nó liên kết với H+) Etanol amin phosphatidyl (PE) ví dụ khác amphiphiles ion lưỡng cực Các loại đường nhóm lại không tích điện, phosphate tích điện âm, vậy, toàn phân tử âm Ví dụ glycerols phosphatidyl (PG) Serins phosphatidyl (PS) tích điện âm, kể từ nhóm lại zwit-ter-ionic (ion lưỡng cực) Trong lớp phospholipid có chuỗi alkyl dài khác (Bảng 13.1) khác số lượng liên kết đôi Chuỗi alkyl mà có liên kết đơn gọi nhóm "no" Chuỗi alkyl có chứa liên kết đôi gọi nhóm "không no" Chuỗi alkyl không no linh hoạt có nhiệt độ nóng chảy thấp Nếu có phần đáng kể amphiphiles hòa tan chất lỏng đề cập nằng lượng Gibbs đơn lớp Độ hòa tan nước tăng lên cách sử dụng phân tử với chuỗi alkyl ngắn phân cực cao nhóm đầu họ Trong trường hợp Γ xác định từ việc giảm sức căng bề mặt theo đường đẳng nhiệt hấp phụ Gibbs (Eq 3,52) Các công cụ quan trọng để nghiên cứu đơn lớp không hòa tan cân lớp màng [575, 576], gọi đường đẳng nhiệt Langmuir (Hình 13.2) Các phiên đại cân màng bao gồm đường đẳng nhiệt kiểm soát nhiệt độ có chứa chất lỏng Các chất lỏng gọi "pha phụ" Thông thường nước sử dụng pha phụ Các chất béo hòa tan dung môi (thường chloroform) dễ bay trộn lẫn với pha phụ Giọt dung dịch đặt bề mặt chất lỏng sau bay dung môi màng lipid Quá trình gọi "phân tán" Qua hàng rào di chuyển cân màng cho phép thao tác mật độ phân tử bề mặt chất lỏng cách nén khuếch tán màng Khi nén màng diện tích phân tử giảm, mở rộng màng, gia tăng Nếu rào cản di chuyển tự do, di chuyển hướng chất lỏng có sức căng bề mặt cao Theo cách hệ thống làm giảm toàn lượng Chúng ta hình dung di chuyển gây áp lực màng, gọi "áp lực bên" Các áp lực màng π định nghĩa khác biệt sức căng bề mặt pha phụ γ0 sức căng bề mặt pha phụ bao phủ amphiphiles γ : Π = γ0−γ (13.1) Áp lực màng thường đo phương pháp Wilhelmy Thông thường Wilhelmy mảnh giấy thấm treo vào pha phụ nước Các lực tác dụng lên tỷ lệ thuận với sức căng bề mặt Ít khi, lực hàng rào xác định trực tiếp Nếu nén màng mặt nước, ta nhận thấy sức căng bề mặt giảm áp lực bề mặt tăng lên Nguyên nhân làm giảm sức căng bề mặt? Chúng ta giải thích cách sử dụng đường đẳng nhiệt hấp phụ Gibbs (Eq (3,52)) Khi nén, lượng dư bề mặt tăng sức căng bề mặt có giảm Tuy nhiên, điều tương đối trừu tượng Một lời giải thích minh họa sức căng bề mặt giảm bề mặt nước phân cực (sức căng bề mặt cao) chuyển đổi vào bề mặt hydrocarbon không phân cực (sức căng bề mặt thấp) Nếu amphiphile tan đáng kể chất lỏng, sử dụng đường đẳng nhiệt Langmuir amphiphiles khuếch tán qua pha lỏng cho hai bên hàng rào Chúng ta sử dụng đẳng nhiệt PLAWM1 thay [577, 578] Trong đẳng nhiệt PLAWM, lớp màng linh động cố định vào rào cản, ngăn hai bên Màng dễ dàng di chuyển, vị trí rào chắn bị ảnh hưởng hiệu ứng bề mặt Lượng dư bề mặt thấp, lượng Gibbs đơn lớp thường mô tả khí hai chiều Mô tả dựa quan sát rằng, nồng độ thấp, sức căng bề mặt giảm tuyến tính với nồng độ amphiphile bổ sung c: γ = γ0−bc (13.2) Ở đây, b số, phụ thuộc vào dung môi amphiphile Chúng ta đưa biểu thức vào hấp phụ đẳng nhiệt Gibbs (Eq (3,52).): Chèn Eq (13.2) vào định nghĩa áp lực màng, Eq (13.1), nhận π = bc Với điều Thay lượng dư bề mặt nghịch đảo diện tích phân tử, Γ = 1/σA, có được: π.σA = R.T Trong phương trình σA đơn vị diện tích mol, phương trình thứ hai đưa với đơn vị diện tích phân tử Ở điểm này, cần phải cẩn thận với việc sử dụng ký hiệu σA Ở đây, diện tích trung bình dành cho phân tử định nghĩa nghịch đảo lượng dư bề mặt Trong chương 9, lại liên quan đến kích thước hình học phân tử Ví dụ, phân tử có đường kính 1nm hấp phụ vào bề mặt, diện tích tiếp xúc khoảng (1nm2) Điều độc lập với lượng dư bề mặt, ngoại trừ cho diện tích bề mặt cao Ví dụ 13.1 Áp lực màng natri dodecylsulfate (SDS) 25◦C sau thêm 0,5 mM nước bao nhiêu? Từ ví dụ 3.3, biết rằng, nồng độ này, diện tích dành cho phân tử 1.42 nm2 Điều dẫn đến áp lực màng Thay cho phương trình lý tưởng khí hai chiều, thường phương trình loại van der Waals sử dụng, bề mặt có loại trừ σ0 : Ở đây, a số phụ thuộc vào loại vật liệu Bài giảng hóa lý thường bắt đầu cách hiển thị không gian ba chiều van der Waals, để giải thích phương trình trạng thái ngưng tụ Do đó, áp lực biểu thị so với thể tích nhiệt độ không đổi Bằng cách tương tự, biểu thị áp lực màng π so với diện tích phân tử σA nhiệt độ không đổi, ngưng tụ hai chiều đơn lớp dự đoán, cho nhiệt độ nhiệt độ tới hạn định 13.2 Pha màng đơn phân tử Sự tương tự sơ đồ pha ba hai chiều thực nhiều thêm Màng amphiphilic đơn phân tử hiển thị trật tự giai đoạn giống hệ thống ba chiều [579] Các pha đơn lớp amphiphilic phát thuận lợi đường đẳng nhiệt áp lực - diện tích (π so với σA) Chúng nhìn nhận khác chất khác Các cấu trúc phân tử amphiphilic đơn giản, giống cồn mạch dài, amin, axit, nghiên cứu rộng rãi (đánh giá: Refs [580, 581]) Trong đơn lớp hình thành pha trung gian Trong pha trung gian, nhóm đuôi xếp diện tích lớn, trật tự xếp đầu ưa nước nhỏ nhiều Axit béo, phospholipid, vv, vào nước thường thấy giai đoạn sau [582-584] (Fig.13.3): • Khí (G): Đối với diện tích phân tử lớn, màng nằm trạng thái khí Các trạng thái khí mô tả phương trình (13.7) Áp lực gây màng, nhiên, thường nhỏ mà không phát Diện tích trung bình phân tử bề mặt lớn nhiều so với kích thước phân tử Tổng diện tích mở rộng vô hạn mà không cần có giai đoạn chuyển pha • Lỏng (L): Khi nén màng thể khí, có giai đoạn chuyển đổi pha sang trạng thái lỏng Trạng thái lỏng đặc trưng tương tác đáng kể amphiphiles Ít hai loại pha lỏng tồn tại: pha chất lỏng mở rộng (LE L1) pha chất lỏng ngưng tụ (LC L2) Đối với pha lỏng mở rộng, đồ thị áp lực - diện tích suy áp lực màng không, cho thấy σA giá trị lớn so với kích thước thực tế phân tử Đối với hydrocarbon mạch dài với đầu phân cực (ví dụ axit béo), diện tích thường σA ≈ 40 - 70Å2 Các phân tử chạm vào trật tự bên Các nhóm đầu ngậm nước cao Các phương trình trạng thái thường kiểu van der Waals Sau vượt qua vùng cao quan trọng áp suất màng πc, đạt pha lỏng ngưng tụ thông qua giai đoạn chuyển pha trật tự đầu Ở đây, amphiphiles thể pha nghiêng với góc nghiêng giảm (đo so sánh với bình thường đến pha phụ) Màng tương đối cứng có vài mặt nước nhóm đầu • Rắn (S) Các nhóm đầu phần lớn nước Đường đẳng nhiệt áp lực - diện tích tuyến tính Suy luận kết áp lực màng không diện tích phân tử tương ứng với tiết diện phân tử Ví dụ, suy luận chất béo với hai loại axit béo chuỗi dài chiếm diện tích ≈ 41Å2, tương ứng với diện tích mặt cắt ngang phân tử [585] Hình 13.4 cho thấy ba đường đẳng nhiệt áp lực - diện tích khác đo DPPC nhiệt độ khác Đường đẳng nhiệt thực sai lệch hai khía cạnh từ ý tưởng sơ đồ Đầu tiên, trình chuyển đổi pha pha lỏng mở rộng với pha lỏng ngưng tụ σA = 50 52 N/m không mạnh Điều thực tế pha lỏng ngưng tụ tương đối mềm dễ dàng nén Như vậy, gia tăng áp lực trình chuyển đổi pha không gây ngưng tụ phân tử dễ mà nén pha ngưng lỏng tụ hình thành Ngoài ra, tạp chất đóng góp vào hiệu ứng Tạp chất gây khác biệt thứ hai thực tế ý tưởng đường đẳng nhiệt Tại đường đẳng nhiệt πc không hoàn toàn giống sai lệch, đặc biệt nhiệt độ cao Tạp chất bị tách khỏi pha lỏng ngưng tụ Vì vậy, nhiều đơn lớp vào pha ngưng tụ lỏng, tạp chất làm giàu pha lỏng mở rộng lại Điều làm giảm nồng độ hai chiều amphiphiles pha lỏng mở rộng Để đạt nồng độ cần thiết cho ngưng tụ, áp suất cao áp dụng Hình 13.4: Đường đẳng nhiệt áp suất-diện tích ( π -σA) ghi nhiệt độ khác với DPPC [586] Đối với đường đẳng nhiệt ghi nhận 30◦C áp suất πC chuyển đổi Các hành pha đơn lớp xác định cấu trúc phân tử amphiphile điều kiện pha phụ Ví dụ, cac phân tử phospholipid hút lẫn tương tác van der Waals chuỗi alkyl Chuỗi alkyl dài hơn, phân tử phospholipid hút lẫn mạnh Như vậy, áp suất chuyển tiếp LE-LC giảm với tăng chiều dài chuỗi (ở nhiệt độ không đổi) Liên kết đôi chuỗi alkyl làm tăng áp suất chuyển pha Điện tích momen lưỡng cực định hướng (xem Chương 6) nhóm đầu, dẫn đến lực đẩy phopholipids tăng áp suất mà trình chuyển đổi xảy Muối pha phụ, sàng lọc lực đẩy giảm áp suất chuyển đổi Ví dụ 13.2: Đây hướng dẫn cung cấp thông tin để liên hệ áp suất màng đến áp suất ba chiều (Hình 13.5) Trên hàng rào có chiều dài l màng tạo nên lực πl Trong trường hợp ba chiều, dự đoán áp suất P tác động lên bề mặt, d độ dày lớp Lực Pld Nếu lực thiết lập nhau, có P = π / d Giá trị tiêu biểu cho đơn lớp pha L1 d = 1nm π = 10-3 N/m Sau đó, ta dự đoán áp suất ba chiều P = 106 N/m2 = 10atm Hình 13.5: Đơn lớp pha phụ nước, nén hàng rào di chuyển Đường đẳng nhiệt áp suất-diện tích polyme protein thường cho thấy pha xác định Ngay áp suất thấp, màng coi không lý tưởng Điều phụ thuộc nhiều vào cấu trúc cụ thể polymer, pha phụ đường đẳng nhiệt thường đảo ngược Nhìn chung, cấu tạo phân tử pha phụ - khí kết hợp polymer- polymer, polymerpha phụ tương tác mặt đóng góp entropic mặt khác 13.3 Kỹ thuật thí nghiệm để nghiên cứu đơn lớp Sự hình thành đơn lớp nghiên cứu nhiệt động chúng mô tả chương trước Một hướng dẫn tốt kỹ thuật thực nghiệm cổ điển kết cho Refs [587] [588] Chúng ta bắt đầu việc thảo luận kỹ thuật quang học 13.3.1 Phương pháp quang Trong kính hiển vi huỳnh quang (FM) lượng nhỏ thuốc nhuộm huỳnh quang thêm vào đơn lớp Để đưa vào đơn lớp thuốc nhuộm phải amphiphilic Màng chiếu sáng phân bố ngang phân tử huỳnh quang quan sát kính hiển vi quang học [589] Tùy theo điều kiện pha đơn lớp, phân tử huỳnh quang phân bố không hay có hiệu suất lượng tử khác Thông thường, thuốc nhuộm bị tách khỏi chất lỏng ngưng tụ pha rắn Với kỹ thuật này, tồn pha khác đơn lớp mặt nước giới thiệu lần [590, 591] Ví dụ 13.3: L-α-DPPC (Dipalmitoylphosphatidylcholine) có áp suất màng quan trọng πc = 12 mN / m mặt nước 22◦C Thuốc nhuộm, trường hợp NBD-DPPC (NBD: nitrobenzo-2-OXA-1,3-Diazole), bị tách khỏi miền LC tốt DPPC (tối) làm giàu LE vùng dịch (sáng) Các pha khác rõ ràng nhìn thấy hình ảnh huỳnh quang hình 13.6 Sau nén, nhiều bóng tối xuất hiện, miền LC- hình thành gần tất màng trở nên đen tối Hình 13.6: L-α-DPPC chứa 0,5% mol NDB-DPPC loại thuốc nhuộm huỳnh quang vào nước 22◦C áp suất màng 12 mN/m Các hình ảnh (chiều rộng 250 mm) cung cấp M Lösche Ví dụ 13.3 chứng minh phospholipid hình thành miền hình dạng hai chiều riêng biệt bề mặt chất lỏng Nó tìm thấy hình dạng miền chủ yếu phụ thuộc vào thành phần hóa học đơn lớp điều kiện nhiệt độ, pH nồng độ ion Cấu trúc miền thường hiểu cách lấy hai tương tác cạnh tranh: lực hút phân tán van der Waals tương tác đẩy lưỡng cực Sự tương tác lưỡng cực đẩy phân tử có chứa nhóm phân cực định hướng song song với giao diện (xem hình 13.7) lưỡng cực song song đẩy Hơn nữa, LC-miền tạo thành vành đai chống lại pha LE xung quanh Điều dẫn đến sức ép dòng mà dựa vào lý vật lý giống sức căng bề mặt: phân tử lipid miền vành đai có lượng cao so với chất béo miền Như vậy, hình thành miền đòi hỏi nhiều lượng hơn, dài chu vi khu vực định Lực đẩy tĩnh điện bên để kéo dài miền đó, vòng có xu hướng căng để giữ tròn chu vi Hình dạng thực tế thương mại giả hai xu hướng [580] Hình 13.7: Sơ đồ xếp amphiphiles lưỡng cực đơn lớp Ngăn cản chống lại hiển vi huỳnh quang diện chất nhuộm huỳnh quang thay đổi cấu trúc lớp Giải vấn đề dùng kính hiển vi góc Brewster (BAM) [593-596] Trong kính hiển vi góc Brewster dùng hiệu ứng sau Thông thường ánh sáng chiếu lên bề mặt chất lỏng bị phản xạ phần Cường độ ánh sáng phản xạ phụ thuộc vào góc tới Đối với ánh sáng phân cực song song tỷ lệ với mặt phẳng, có góc tới mà không xảy phản xạ Đây góc Brewster Đối với nước, góc Brewster 53◦ Nếu quan sát bề mặt nước góc 53◦ xuất tối Trong kính hiển vi góc Brewster, chất lỏng chiếu sáng theo góc Brewster bề mặt quan sát kính hiển vi Sự diện cấu trúc lớp làm thay đổi góc Brewster Khu vực bao phủ đơn lớp có góc Brewster khác xuất sáng Với trợ giúp kính hiển vi góc Brewster hình thành pha đơn lớp quan sát với độ phân giải bên phạm vi μm [597] Nghiên cứu so sánh huỳnh quang kính hiển vi góc Brewster cho thấy khác biệt [598] 13.3.2 Tia X phản xạ nhiễu xạ Tia X có đọ đâm xuyên lớn Để có tín hiệu đủ mạnh từ lớp bề mặt với chùm tia tới áp dụng theo góc nhỏ (xem tập 8.4) Góc chiếu xạ dọc điển hình α = 0.1◦, dẫn đến độ sâu thâm nhập ≈ 5nm Với bước sóng vài Å (được sử dụng thường dòng Cu-Kα với λ = 1,54 Å) tia X đủ nhạy để phân tích đơn lớp Ngoài ra, lớp dày phân tích Kỹ thuật tia X sử dụng rộng rãi tia X phản xạ (XR) nhiễu xạ (XD), cung cấp thông tin khác màng mỏng [585, 599, 601] Sự phản xạ tia X (α’ = α, β = 0): Cường độ chùm tia phản xạ đo trực tiếp góc α khác (thường lên đến 5◦) Thí nghiệm cung cấp thông tin độ dày màng, phân bố mật độ electron A◦3 vuông góc (bình thường) với bề mặt chất lỏng, độ nhám bề mặt [602, 603] Để hiểu điều bắt đầu việc thảo luận độ dày màng thu Nếu bạn có lớp màng mỏng bề mặt nước, tia X chia thành hai chùm; phản xạ từ bề mặt màng, chùm khác phản xạ từ giao diện màng - nước (xem hình 13,9) Những chùm giao thoa triệt tiêu (cực tiểu) tùy thuộc vào góc tới Cường độ phản xạ kết cho thấy cực đại cực tiểu Nếu tính toán điều kiện gây nhiễu tích cực, ta có định luật Bragg: Ở đây, λ bước sóng tia X, n thứ tự mức tối thiểu (n = 1,2,3, ) d độ dày màng Định luật Bragg có nghĩa góc cao mà bạn tìm thấy cực tiểu cực đại nhỏ độ dày màng tương ứng với bước sóng định Hình 13.9: Giao thoa hai tia X phản xạ bề mặt màng giao diện màng-chất lỏng Sự khác biệt đường dài tô sáng Góc tới tia X (α) thí nghiệm thực tế thấp nhiều Tia X tương tác với electron nguyên tử vật liệu Do đó, điều kiện cần để định màng bổ sung mặt nước mật độ electron màng chất lỏng khác đầy đủ Ngoài ra, α’ = α thông tin thành phần nằm ngang Như vậy, cường độ phản xạ "hình ảnh mật độ electron" dọc theo từ không khí vào nước biến đổi diện màng đơn lớp Bề mặt thực đặc biệt chất lỏng, không phẳng hoàn toàn Mặc dù nhiễu loạn bên ngoài, biến động nhiệt dạng sóng mao quản xảy bề mặt chất lỏng [602] Sức căng bề mặt, kết làm giảm độ nhám Thông thường, nén đơn lớp với áp suất cao (50 mN/m), tức sức căng bề mặt thấp, bề mặt nước gồ ghề thay từ khoảng Å đến Å Ví dụ 13.4: Kết phép đo tia X điển hình hiển thị hình 13.10 cho agalactocerebroside [605] Các ô bên trái phản ánh bình thường chùm tia X có cường độ so với góc tới α cho hai màng với áp suất khác Đường đẳng nhiệt áp suất- diện tích thể hình chữ nhật, với điểm đo a b Ở bên phải cấu hình mật độ electron tách bình thường với bề mặt màng chụp áp suất màng Ở Å tìm thấy bề mặt đơn lớp (trên chuỗi alkyl), độ sâu -40 Å tương ứng với nước tinh khiết Ở màng Phép đo nhạy, chí thấy hai mật độ điện tử khác đơn lớp Điều minh họa ô nét đứt ký hiệu "màng 1" " màng 2" (hiển thị cho đường cong b), thể phân bố mật độ electron đơn giản mô hình hai hộp Hộp định nghĩa phần màng có độ dày định, nơi mật độ electron không đổi Trong mô hình hai hộp màng chia thành hai lớp Màng thể đuôi hydrocarbon, màng tương ứng với mật độ điện tử trung bình nhóm đầu Hình 13.10: Cấu trúc galactocerebroside (trên) kết thí nghiệm nhiễu xạ tia X với galactocerebroside đơn lớp nước [605] Nhiễu xạ tia X (β khác 0) Từ phụ thuộc phản xạ mặt phẳng đến góc β, có thông tin gói hai chiều phân tử bề mặt cung cấp, chúng cho số cấu trúc lệnh Một cách hoàn hảo, tinh thể hai chiều bề mặt nước phẳng tạo đường sọc ("thanh Bragg ") theo hướng thông thường Nếu phân tích hàm góc α, thu thông tin mật độ điện tử cấu hình song song với bề mặt góc nghiêng có phân tử Phép đo nhiễu xạ thường đòi hỏi nguồn tia X chuyên sâu xạ synchrotron [607- 610] 13.3.3 Điện bề mặt Nhìn chung, chất béo đơn lớp hình thành chứa nhóm phân cực làm phát sinh moment lưỡng cực μ Ở bề mặt chất lỏng tất lưỡng cực định hướng song song với thời điểm lưỡng cực vuông góc với bề mặt pha phụ Như vậy, đơn lớp thường thay đổi hiệu điện bề mặt chất lỏng-khí Sự thay đổi điện Volta pha lỏng pha khí lan rộng lớp gọi "điện mặt" màng Nếu χ0 điện phần bên pha phụ tinh khiết pha khí χ điện diện lớp, χSurf điện bề mặt χ0, χ χSurf dương điện cực pha khí dươngc so với điện cực chất lỏng Điện bề mặt kết nối với moment lưỡng cực phân tử vào giao diện Nếu μ⊥ moment lưỡng cực thông thường với bề mặt, điện bề mặt cho [584]: Ở đây, ε số điện môi pha phụ lỏng Thực tế, đo thay đổi điện mặt thay đổi áp suất màng Từ đây, nhận thông tin thời điểm lưỡng cực định hướng phân tử bề mặt [611-614] Để hiểu biểu thức (13.10), hình dung lưỡng cực tạo thành đồng nhất, mở rộng vô hạn lớp bề mặt chất lỏng ( hình 13.11) Lưỡng cực cho có moment lưỡng cực μ⊥ = Q.d Trực tiếp chất lỏng đơn lớp bắt đầu với mật độ điện tích σ= -Γ.Q Sau đó, miền mà điện tích với độ dày d Cuối có lớp thứ hai với mật độ điện tích σ = Γ.Q Bây cố gắng để tìm điểm điện trường mạnh, có ba khu vực Để đơn giảnchúng ta giả định điện tích tự chất lỏng thiết lập điện trường không suốt giai đoạn lỏng Ở khu vực hai lớp tích điện, cường độ điện trường E = σ / εε0 Trong pha khí, điện trường lần không Để có điện mặt, ta tích hợp điện trường nơi pha lỏng kết thúc pha khí Với việc tích hợp này, ta có điện năng: Hình 13.11: Sơ đồ lưỡng cực đơn lớp, cường độ điện trường E điện chống lại pháp tuyến tọa độ Đối với phân tử điện tích tự do, moment lưỡng cực tương ứng đo trực tiếp với moment lưỡng cực bên phân tử [615] Với phân tử tích điện, lưỡng cực bổ sung coi hình thành pha phụ lớp điện kép Các phép đo điện bề thực năm 1932-1937 [616, 617] Hai phương pháp áp dụng phổ biến (hình 13.12.): phương pháp điện cực rung điện cực ion hóa Phương pháp điện rung quay ngược Kelvin gọi Kelvin dò Một điện cực giống gắn khoảng cách D bề mặt chất lỏng Nó nối với điện cực dung dịch Một điện cực giống mảng gắn khoảng cách D bề mặt chất lỏng Nó nối với điện cực dung dịch Để đo điện mặt, điện cực di chuyển lên xuống theo định kỳ Điều tạo dòng điện I sinh dòng điện xoay chiều đo Dòng điện tỷ lệ thuận với điện bề mặt [616] Từ dung lượng tụ điện C = ε0A/D : Ở đây, A diện tích bề mặt tụ điện Kết thay Ví dụ 13.5 Điện cực không khí cm2 lớn 0,3 mm khỏi bề mặt chất điện phân dung dịch nước Nó tuần hoàn (một hình sin) di chuyển lên xuống với biên độ D0 = 2.5μm tần số ν = 330Hz Các ampe kế sử dụng đo dòng điện ΔI = 1pA Làm để đo xác điện bề mặt? Hình 13.12: Sơ đồ thiết lập để đo điện bề mặt đơn lớp Sự khác biệt lớn dD/dt 4πνD0, Trong phương pháp điện cực ion hóa, điện tham chiếu điện cực chất lỏng (ví dụ điện cực AgCl) điện cực trên, sâu vài micromet chất lỏng đo Thực tế, điều thực cách đo dòng điện với phương pháp điện rung áp đặt điện áp bên Vext, bù lại điện mặt Khi điện áp bên bù lại điện mặt, dòng điện I không Để tăng tính dẫn điện khoảng trống không khí, điện cực phủ lớp phát xạ α polonium Po210 13.3.4 Bề mặt đàn hồi độ nhớt Các đặc tính học màng mỏng chất lỏng mô tả cách tương tự trường hợp ba chiều Bề mặt đàn hồi [618] định nghĩa Ở đây, A tổng diện tích bề mặt 1/Eσ gọi độ nén Nó đánh giá cản trở màng chống nén Khi đo độ đàn hồi bề mặt, ta phải nhớ có pha khác màng, có tính chất học khác [619] Độ nhớt bề mặt ησ định nghĩa sau Hai yếu tố dòng song song di chuyển song song với Giữa chúng (nếu ta xem xét học Newton) có tốc độ dốc không đổi dv/dy tồn Lực cần thiết để trì di chuyển l chiều dài dòng Độ nhớt bề mặt đo ống nhớt kế Trong ống nhớt kế, ta đo diện tích bề mặt chảy vào màng đó, áp lực cho đơn vị thời gian qua khoảng cách thông qua kênh hai chiều Với bề mặt xoắn lắc, độ nhớt đàn hồi đặc trưng đo tốt Trong thiết bị vậy, ta xác định tốc độ dao động quay đĩa nằm bề mặt hãm Thông thường, độ hãm chất lỏng tinh khiết nhỏ so với độ hãm đơn lớp [...]... thế của bề mặt chất lỏng- khí Sự thay đổi về điện năng Volta giữa pha lỏng và pha khí khi lan rộng của các lớp được gọi là "điện năng mặt" của màng Nếu χ0 là điện năng giữa phần bên trong của pha phụ tinh khiết và pha khí và nếu χ là điện năng trong sự hiện diện của lớp, thì χSurf là điện năng bề mặt χ0, χ và χSurf là dương nếu các điện cực trong pha khí là dươngc hơn so với các điện cực trong chất lỏng. .. năng bề mặt được kết nối với moment lưỡng cực của các phân tử vào giao diện Nếu μ⊥ là moment lưỡng cực thông thường với bề mặt, thì điện năng bề mặt được cho bởi [584]: Ở đây, ε là hằng số điện môi của pha phụ lỏng Thực tế, chúng ta đo sự thay đổi của điện năng mặt khi thay đổi áp suất màng Từ đây, chúng ta có thể nhận được thông tin về thời điểm lưỡng cực và định hướng của các phân tử trên bề mặt [611-614]... năng mặt Khi điện áp bên ngoài chỉ bù lại điện năng mặt, dòng điện I bằng không Để tăng tính dẫn điện của khoảng trống không khí, các điện cực trên được phủ một lớp phát xạ α như polonium Po210 13.3.4 Bề mặt đàn hồi và độ nhớt Các đặc tính cơ học của màng mỏng trên chất lỏng được mô tả một cách tương tự như trường hợp ba chiều Bề mặt đàn hồi [618] được định nghĩa là Ở đây, A là tổng diện tích bề mặt. .. khoảng cách D trên bề mặt chất lỏng Nó được nối với một điện cực trong dung dịch Một điện cực giống như mảng được gắn ở một khoảng cách D trên bề mặt chất lỏng Nó được nối với một điện cực trong dung dịch Để đo điện năng mặt, điện cực trên được di chuyển lên và xuống theo định kỳ Điều này tạo ra một dòng điện I và sinh ra dòng điện xoay chiều đo được Dòng điện này tỷ lệ thuận với điện năng bề mặt [616]... là l là chiều dài của các dòng Độ nhớt bề mặt có thể được đo bằng ống nhớt kế Trong một ống nhớt kế, ta đo diện tích bề mặt chảy vào một màng nào đó, áp lực cho mỗi đơn vị thời gian qua một khoảng cách hoặc thông qua một kênh hai chiều Với bề mặt xoắn con lắc, độ nhớt đàn hồi đặc trưng có thể được đo là tốt Trong thiết bị như vậy, ta xác định tốc độ dao động quay của đĩa nằm trên bề mặt được hãm Thông... và về góc nghiêng có thể có của các phân tử Phép đo nhiễu xạ thường đòi hỏi nguồn tia X chuyên sâu như bức xạ synchrotron [607- 610] 13.3.3 Điện năng của bề mặt Nhìn chung, chất béo đơn lớp hình thành chứa các nhóm phân cực làm phát sinh một moment lưỡng cực μ Ở bề mặt chất lỏng tất cả các lưỡng cực được định hướng song song với một thời điểm lưỡng cực vuông góc với bề mặt pha phụ Như vậy, một đơn... trong mặt phẳng đến góc β, chúng ta có được thông tin về gói hai chiều của phân tử trên bề mặt được cung cấp, chúng chỉ cho một số cấu trúc lệnh Một cách hoàn hảo, tinh thể hai chiều trên bề mặt nước bằng phẳng sẽ tạo các đường sọc ("thanh Bragg ") theo hướng thông thường Nếu chúng ta phân tích những thanh đó như một hàm của góc α, thu được các thông tin về mật độ điện tử cấu hình song song với bề mặt. .. mặt 1/Eσ được gọi là độ nén Nó đánh giá sự cản trở của màng chống nén Khi đo độ đàn hồi của bề mặt, ta phải nhớ rằng có thể có các pha khác nhau trong màng, do đó có thể có những tính chất cơ học khác nhau [619] Độ nhớt bề mặt ησ được định nghĩa như sau Hai yếu tố dòng song song di chuyển song song với nhau Giữa chúng (nếu ta xem xét trong cơ học của Newton) có tốc độ dốc không đổi dv/dy sẽ tồn tại... điện ΔI = 1pA Làm thế nào để đo chính xác điện năng bề mặt? Hình 13.12: Sơ đồ thiết lập để đo điện năng bề mặt một đơn lớp Sự khác biệt lớn nhất trong dD/dt là 4πνD0, như vậy Trong phương pháp điện cực ion hóa, điện năng tham chiếu giữa một điện cực trong chất lỏng (ví dụ như một điện cực AgCl) và một điện cực trên, được sâu vài micromet trong chất lỏng được đo Thực tế, điều này được thực hiện bằng... trong các màng có độ dày nhất định, nơi mật độ electron là không đổi Trong mô hình hai hộp màng được chia thành hai lớp Màng 1 thể hiện đuôi hydrocarbon, màng 2 tương ứng với mật độ điện tử trung bình của các nhóm đầu Hình 13.10: Cấu trúc của galactocerebroside (trên) và kết quả của thí nghiệm nhiễu xạ tia X với galactocerebroside đơn lớp trong nước [605] Nhiễu xạ tia X (β khác 0) Từ sự phụ thuộc của phản ... thường) với bề mặt chất lỏng, độ nhám bề mặt [602, 603] Để hiểu điều bắt đầu việc thảo luận độ dày màng thu Nếu bạn có lớp màng mỏng bề mặt nước, tia X chia thành hai chùm; phản xạ từ bề mặt màng, ... lượng dư bề mặt tăng sức căng bề mặt có giảm Tuy nhiên, điều tương đối trừu tượng Một lời giải thích minh họa sức căng bề mặt giảm bề mặt nước phân cực (sức căng bề mặt cao) chuyển đổi vào bề mặt. .. độ phân tử bề mặt chất lỏng cách nén khuếch tán màng Khi nén màng diện tích phân tử giảm, mở rộng màng, gia tăng Nếu rào cản di chuyển tự do, di chuyển hướng chất lỏng có sức căng bề mặt cao Theo