Như đã trình bày về tiến trình thực hành thí nghiệm trong phần 2.1.3, các kết quả của phép đo này đã được xử lí bằng cách vẽ đồ thị phụ thuộc của áp suất bề mặt vào diện tích /phân tử. Trong khi đo sức căng bề mặt của đơn lớp, diện tích bề mặt không đổi nhưng thay đổi số phân tử trong đơn lớp AA/bề mặt nước để thay đổi diện tích bề mặt/phân tử (A). Đường đẳng nhiệt - A và các pha khác nhau của một đơn lớp Langmuir AA/bề mặt nước nguyên chất được thể hiện trong hình 3.1.
Khi A giảm từ 60 Ǻ2/phân tử đến 33.4 Ǻ2/phân tử, đơn lớp đồng tồn tại ở pha lỏng-mở rộng (LE) và pha lỏng-xếp chặt (LC). Trong pha này, sức căng bề mặt của đơn lớp hầu như không đổi, sự sắp xếp của các phân tử trong đơn lớp vẫn lỏng lẻo, hình dạng chuỗi bị mất trật tự đáng kể. Tiếp tục giảm A từ 33.4→ 20.4 Ǻ2/phân tử, với sự thay đổi nhỏ của giá trị A và áp suất tăng rất nhanh, đơn lớp AA đi vào pha lỏng-xếp chặt (LC). Trong pha LC, đơn lớp AA trải qua sự chuyển pha xếp chặt nghiêng (TC) với A giảm từ 33.4→26.7 Ǻ2/phân tử và pha xếp chặt không nghiêng (UC) với A giảm từ 26.7→20.4 Ǻ2/phân tử. Tại pha UC này, các phân tử AA của đơn lớp được sắp xếp dày đặc với tương tác chuỗi-chuỗi mạnh, khuyết tật trong chuỗi nhỏ. Nếu A giảm hơn nữa (< 20 Ǻ2/phân tử), các phân tử AA không tạo thành đơn lớp phân tử trên bề mặt nước nữa, chúng sẽ tràn ra rìa hoặc chồng lên trên đơn lớp còn lại, làm cho đơn lớp Langmuir bị sụp đổ. Ngoài ra, so sánh đường đẳng nhiệt thực nghiệm (hình 3.1) với đẳng nhiệt đường lí thuyết (hình 1.3) cho kết quả hoàn toàn phù hợp.
51
Hình 3.1. Đường đẳng nhiệt thực nghiệm π – A của đơn lớp Langmuir AA/bề mặt nước.
Để nghiên cứu đơn lớp Langmuir, nhiều kỹ thuật khác nhau đã được phát triển.
Kính hiển vi góc Brewster (BAM) có thể thành công trong các cấu trúc ảnh của các đơn lớp ở phạm vi micro và quan sát được sự tách pha vi mô trong miền đồng tồn tại hai pha. Kim và cộng sự lần đầu tiên sử dụng phép đo thế năng bề mặt để quan sát sự chuyển pha khí – lỏng của đơn lớp Langmuir và sử dụng kỹ thuật phép đo ellip để phát hiện tính không đồng nhất trong miền đồng tồn tại pha LE-LC. Gần đây, hình ảnh phép đo ellip đã được phát triển để giám sát sự sụp đổ của đơn lớp Langmuir. Kính hiển vi huỳnh quang cũng đã được phát triển để nghiên cứu các pha khác nhau như sự hình thành các pha và sự sụp đổ của đơn lớp Langmuir. Các mô hình phức tạp của pha LC như hình dạng nhánh và đa giác được quan sát trong miền đồng tồn tại pha. Chuyển động của một hạt huỳnh quang trong một đơn lớp Langmuir được nghiên cứu để phát hiện ra rằng sự khuếch tán của nó được giới hạn trong ranh giới miền LC. Kỹ thuật tia X đã tạo ra sự phân loại các pha khác nhau của đơn lớp Langmuir và cấu tạo của chúng có thể ở mức phân tử. Phản xạ tia X cho phép đo độ dày của đơn lớp Langmuir. Nhiễu xạ tia X “Grazing-incident”
(GIXD) cho phép xác định cấu trúc tinh thể 2 chiều của đơn lớp. Chúng có thể
52
mang lại thông tin cấu trúc vi mô chi tiết về các pha khác nhau của đơn lớp Langmuir khi nó đi dọc theo đường đẳng nhiệt A [14].
Quang phổ dao động tần số tổng cho phép đo trực tiếp phổ dao động của mặt phân cách nước, đặc biệt là các pha của nước và sự thay đổi cấu trúc của chúng bên dưới đơn lớp Langmuir. Do đó, để thấy rõ hơn sự chuyển pha của đơn lớp Langmuir AA/nước nguyên chất, chúng tôi sử dụng SFG-VS để thu phổ SF từ đơn lớp AA/bề mặt nước nguyên chất có diện tích bề mặt/phân tử thay đổi từ 34→17 Ǻ2/phân tử, các phổ này được chỉ ra trên hình 3.2. Trong hình 3.2a, 3.2b, 3.2c với các giá trị tương ứng 34; 29.1 và 25.5 Ǻ2/phân tử, trong phổ này quan sát thấy cường độ đỉnh của mode dao động CH3 rất yếu, đây là minh chứng cho cấu tạo của các phân tử AA tại bề mặt nước sắp xếp rất lỏng lẻo vì sự mất trật tự làm giảm cường độ của mode CH3. Ngoài ra, trong hình 3.2c với A =25.5 Ǻ2/phân tử, pha của đơn lớp AA thuộc pha TC, các phân tử AA được xếp chặt hơn so với pha LE và thể hiện bằng các đỉnh vượt trội của các mode CH3SS và CH3FR. Tuy nhiên, sự xuất hiện đỉnh CH2SS trong phổ cho thấy đuôi kỵ nước CHx bị nghiêng nhiều hơn về phía bề mặt phân cách. Trong hình 3.2d tương ứng với A = 20.4 Ǻ2/phân tử có cường độ đỉnh mode CH3 lớn nhất, đồng thời đỉnh CH2 không đáng kể cho thấy pha của đơn lớp AA thuộc pha UC, các phân tử AA của đơn lớp được xếp chặt, đuôi CHx được xếp thẳng không nghiêng và chỉ về phía không khí. Nếu tiếp tục giảm A thì cường độ đỉnh CH2SS tăng lên đồng thời cường độ đỉnh CH3SS giảm mạnh là biểu hiện của sự sụp đổ đơn lớp Langmuir AA được thể hiện trong hình 3.2e.
53
Hình 3.2. Phổ SFG của đơn lớp AA/nước nguyên chất với sự thay đổi diện tích bề mặt/phân tử từ 34→17Å2/phân tử.
Ngoài ra, theo những nghiên cứu trước đây [10, 14] đơn lớp có thể tồn tại ở những pha khác nhau: pha lỏng xếp chặt (LC), pha lỏng mở rộng (LE), pha hỗn hợp và pha khí - tham khảo đường đẳng nhiệt của đơn lớp Axit Pentadecanoic trên Hình 3.3. Kết quả của chúng tôi hoàn toàn phù hợp với các luận điểm của nhóm P.
Guyot-Sionnest [10]. Điều này đưa chúng tôi đến nhận định rằng với diện tích bề mặt/ phân tử là 20.4 Ǻ2 /phân tử, đơn lớp AA đang ở trạng thái gần với chuyển tiếp pha LC- LE.
54
Hình 3.3. Đường đẳng nhiệt của áp suất bề mặt theo diện tích/ phân tử của đơn lớp axit Pentadecanoic [10].
Như vậy, bằng cả hai cách khảo sát đường đẳng nhiệt - A và sử dụng kỹ thuật SFG-VS, chúng tôi đã tìm hiểu một cách hệ thống sự hình thành, sụp đổ của đơn lớp AA/bề mặt nước nguyên chất. Trong đó đơn lớp Langmuir AA xếp chặt không nghiêng tại A = 20.4 Ǻ2/phân tử (pha UC). Trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ sử dụng giá trị A = 20.4 Ǻ2/phân tử (tương ứng với thể tích 5 μl dung dịch AA nói trên) tạo mẫu đơn lớp Langmuir AA trên bề mặt nước hoặc trên bề mặt các dung dịch muối halogen.