1. 3 Định nghĩa và cấu tạo của đơn lớp Langmuir
3.1 Khảo sát tín hiệu SFG từ đơn lớp Langmuir n-Butanol trên mặt nước khử
khử ion
Chúng em đã tiến hành khảo sát đơn lớp Langmuir n-Butanol trên bề mặt nước siêu sạch với cấu hình phân cực SSP( lần lượt tương ứng với độ phân cực của tia SF, tia VIS, tia IR), sử dụng hai tia laser tới: tia khả kiến bước sóng λ=532 nm, tia hồng ngoại có bước sóng λIR có thể thay đổi được với số sóng từ 2800 cm-1 đến 3600cm-1. Mẫu đơn lớp được đặt trên bệ đỡ mẫu θxyz, điều chỉnh theo các phương x, y, z ở vị trí thích hợp để thu tín hiệu SFG như hình 3.1:
Hình 3.1 Phổ SFG của đơn lớp n-Butanol trên mặt nước siêu sạch
Từ hình 3.1 chúng ta thấy có 3 mode dao động: mode kéo dãn đối xứng của nhóm methylene (vs CH2) tại 2855 cm-1 ứng với sự thay đổi của momen lưỡng cực điện dọc theo trục đối xứng z của nhóm CH2 , mode kéo dãn đối xứng của nhóm methyl (vs CH3) tại 2875 cm-1 ứng với sự thay đổi của momen lưỡng cực điện dọc theo trục đối xứng z của nhóm CH3 và mode cộng hưởng Fermi của mode kéo dãn đối xứng với mode uốn cong của nhóm methyl tại 2935 cm- 1.Có thể giải thích các kết quả này từ lý thuyết tần số tổng đã trình bày ở chương 1. Cường độ SFG tỷ lệ với bình phương mô đun độ cảm phi tuyến bậc hai:
(3.1) Với
(3.2) Ở đây, là véc tơ đơn vị trong hướng phân cực của ánh sáng, là hệ số Fresnel ở tần số Ω. Độ cảm phi tuyến bậc hai có thể viết thành:
Với là thành phần không tạo ra cộng hưởng của độ cảm phi tuyến bậc hai. tương ứng là biên độ, tần số và độ rộng của mode dao động thứ q. Theo phương trình (3.3), khi cho biến đổi đến thì χ(2) đạt giá trị lớn nhất, ứng với trường hợp xảy ra cộng hưởng, theo công thức (3.1) thì đạt giá trị lớn nhất. Vì vậy ta thu được các đỉnh tương ứng với các mode dao động. Phép đo cấu hình SSP của bề mặt đẳng hướng chỉ phát hiện ra thành
phần độ cảm phi tuyến bậc hai , cho thấy rằng chỉ có các dao động mang theo mô men dịch chuyển IR trực giao với bề mặt mới có đóng góp.
Đối với đỉnh vsCH2 tại 2850 cm-1, cường độ rất yếu. Trong xấp xỉ lưỡng cực điện cơ bản, SFG không cho phép xảy ra trong một môi trường đối xứng tâm.
Nhóm CH2 ở vị trí giữa nhóm CH3 và nhóm –OH, tạo ra sự đối xứng tâm giữa các nhóm CH2 liền kề khi các phân tử dịch chuyển dao động.
Sự khác nhau trong hoạt động của nhóm CH3 của các mode stretch là do sự định hướng khác nhau của các phân tử trên bề mặt. Đối với nhóm CH3, do nó có một đối xứng C3v nghĩa là trục của nhóm CH3 dọc theo pháp tuyến bề mặt, đỉnh do mode kéo dãn đối xứng theo hướng pháp tuyến sẽ xuất hiện, còn đỉnh ứng với mode kéo dãn d (dx, dy đối xứng nằm trong và ngoài mặt phẳng của chuỗi ankan) sẽ không thấy được. Nếu trục đối xứng của nhóm CH3 chủ yếu dọc theo mặt phẳng bề mặt, thì điều ngược lại sẽ xảy ra. Nếu nhóm CH3 nghiêng một góc so với pháp tuyến bề mặt thì cả mode kéo dãn đối xứngvà mode d đối xứngtrong phổ. Trong phổ của chúng tôi xuất hiện đỉnh đối với mode kéo dãn đối xứngtại số sóng 2875,5 cm-1 ứng với mô men chuyển dời theo trục z (xem hình 3.2) và không xuất hiện bất đối xứng vas của nhóm CH3(~2960cm-1),điều đó chỉ ra rằng nhóm CH3 định hướng gần như vuông góc với mặt phân cách.
Hình 3.2 Mode kéo dãn đối xứng của nhóm CH3
Cộng hưởng Fermi của mode đối xứng kéo dãn đối xứngvới mode uốn cong của nhóm methyl xuất hiện tại đỉnh 2940 cm-1. Từ hình (3.1) ta thấy, cường độ tín hiệu của mode kéo dãn đối xứng trội hẳn so với hai mode còn lại. Ngoài ra, trong dải số sóng từ 3200 – 3700cm-1 trong phổ rất hỗn loạn, đây là vùng dao động của các phân tử nước bề mặt liên kết hydro và liên kết tự do. Các phân tử nước dao động hỗn loạn là do một phần các phân tử n – Butanol bị tan trong
nước do chuỗi alkyl ngắn (C4), làm cho các phân tử nước bề mặt dao động hỗn loạn nên tín hiệu SFG tại dải sóng này yếu và không ổn định.