1. 3 Định nghĩa và cấu tạo của đơn lớp Langmuir
3.2.1. Tín hiệu SFG từ đơn lớp n-Butanol trên bề mặt dung dịch muố
natriiotua (NaI)
Tín hiệu SFG của đơn lớp n–butanol trên bề mặt dung dịch muối NaI với các nồng độ 0,5M, 1,5M và 3M được thể hiện trong hình 3.3.
Hình 3.3. SFG của n- butanol đơn lớp trên dung dịch muối NaI khi thay đổi
Trên hình 3.3, có thể thấy trong vùng có số sóng từ 2800 cm-1 đến 3600 cm-1 vẫn quan sát thấy năm mode dao động CHx gồm : Mode kéo dãn đối xứng CH2 – ss ở 2865 cm-1; mode kéo dãn đối xứng CH3 – ss ở 2875 cm-1; mode CH2 dao động bất đối xứng CH2 – AS ở 2898 cm-1;mode cộng hưởng Fermi CH3Fr của mode kéo dãn và mode uốn cong CH3-FR ở 2938 cm-1 và mode CH3 dao động bất đối xứng CH3- AS ở 2964 cm-1 và mode dao động OH từ vùng có số sóng từ 3200 cm-1 đến 3600 cm-1. Cường độ các mode dao động CHx cũng thay đổi và được thảo luận phần tiếp theo.
Khi nồng độ NaI tăng thì cường độ tín hiệu vùng 3200 – 3450 cm-1 tăng cường. Sự tăng cường tín hiệu SFG là do:
- Các ion I¯ nổi trên bề mặt nước, chính ion này làm tăng độ cảm phi tuyến bề mặt dẫn đến cường độ SFG tăng.
- Do tạo thành một lớp kép điện tích của các ion I¯ trên bề mặt và các ion Na+ bị đẩy lùi xuống khối dung dịch (ra xa mặt phẳng) [3]. Lớp kép này tạo thành điện trường hướng từ dưới lên trên, điện trường này định hướng phân tử lớp nước bề mặt có nguyên tử hidro hướng lên trên bề mặt nên lớp nước đc sắp xếp trật tự hơn. Nếu nồng độ dung dịch NaI càng lớn thì điện trường càng mạnh làm cho lớp phân tử nước bề mặt càng trật tự. Điều này giải thích sự tăng cường tín hiệu SFG khi nồng độ tăng.
3.2.2. Tín hiệu SFG từ đơn lớp n-Butanol trên bề mặt dung dịch muối natriclorua (NaCl) natriclorua (NaCl)
Tín hiệu SFG của đơn lớp n–butanol trên bề mặt dung dịch muối NaI với các nồng độ 0,5M, 1,5M và 3M được thể hiện trong hình 3.4:
Hình 3.4. Tín hiệu SFG của đơn lớp n- butanol trên dung dịch muối NaCl
khi thay đổi nồng độ từ 0,5M đến 2M.
Từ hình 3.4, cũng quan sát được 5 mode dao động của CHx và mode dao động OH từ vùng có số sóng từ 3200 cm-1 đến 3600 cm-1. Cường độ của các mode này thay đổi khi thay đổi nồng độ dung dịch muối NaCl. Cụ thể, khi nồng độ muối tăng, vùng dao động của lớp nước bề mặt được tăng cường nhẹ. Sự tăng cường này là kém hơn so với dung dịch NaI (như hình 3.5) vì ion I¯ nổi lên bề mặt nước cao hơn ion Cl¯ theo nhóm nghiên cứu Allen [3] và Yan Levin [6]. Vì vậy bề mặt dung dịch NaI có độ cảm phân cực lớn hơn bề mặt dung dịch NaCl, đồng thời điện trường tạo ra trong dung dịch NaI lớn hơn trong dung dịch NaCl. Do đó cường độ SFG của đơn lớp n – Butanol trên dung dịch NaI và lớp nước bề bên dưới đơn lớp được tăng cường mạnh hơn so với dung dịch NaCl. Ngoài ra, tín hiệu SFG của vùng dao động OH của các phân tử nước bên dưới đơn lớp n – butanol trên bề mặt dung dịch muối NaI và NaCl không có những vùng cường độ tín hiệu vọt lên bất thường như tín hiệu SFG của vùng dao động OH của các phân tử nước bên dưới đơn lớp n – butanol trên bề mặt nước tinh khiết. Như vậy, có thể kết luận vùng dao động OH của đơn lớp n – butanol trên bề mặt
C ườ ng đ ộ tí n hi ệu S FG
Hình 3.5. Tín hiệu SFG của mode dao động OH của n-butanol đơn lớp trên
dung dịch muối NaI và NaCl khi ở cùng nồng độ muối 3M.
Mode dao động của OH của đơn lớp n- butanol trên bề mặt dung dịch muối NaCl và dung dịch muối NaI ổn định hơn có thể được giải thích như sau: Khi pha thêm muối vào trong nước tinh khiết, độ tan của n- butanol giảm, đơn lớp n – butanol trên bề mặt dung dịch ổn định hơn.
Quan sát trên hình 3.5, có thể thấy cường độ tín hiệu SFG của mode dao động OH của đơn lớp n – butanol trên bề mặt dung dịch muối NaI ở nồng độ 3M lớn hơn cường độ tín hiệu SFG của mode dao động OH của các phân tử nước bên dưới của đơn lớp n – butanol trên bề mặt dung dịch muối NaI ở nồng độ 0,5M và 1,5M.
3.2.3 Khảo sát tín hiệu SFG của mode dao động CH3SS và CH2SS từ đơn lớp n – Butanol trên bề mặt dung dịch muối khi thay đổi nồng độ muối
Dựa vào số liệu thu thập được, dựng đồ thị cường độ đỉnh của mode dao động đối xứng CH3SS và mode dao động đối xứng CH2SS theo nồng độ của đơn lớp n- butanol trên dung dịch muối NaI và trên dung dịch muối NaCl, được thể hiện ở hình 3.6 và hình 3.7:
Hình 3.6. Đồ thị cường độ đỉnh CH3SS và CH2SS theo nồng độ của n- butanol trên nền dung dịch muối NaI
Quan sát trên đồ thì ở hình 3.6 ta có thể thấy khi nồng độ muối NaI trong dung dịch tăng dần, số lượng anion I- xuất hiện trên bề mặt tăng, làm tăng sức căng mặt ngoài của bề mặt dung dịch nhưng làm đuôi kỵ nước của butanol bị uốn cong xuống, làm cường độ tín hiệu SFG của CH3SS giảm còn cường độ tín hiệu SFG của CH2SS tăng. Mô hình mô phỏng được thể hiện trên hình 3.7
Hình 3.7. Mô phỏng đơn lớp n – butanol khi anion I- đi lên bề mặt dung dịch
Đồ thị hình 3.8 là đồ thị cường độ đỉnh CH3SS và CH2SS theo nồng độ của n- butanol trên nền dung dịch muối NaCl, ta có thể thấy khi tăng nồng độ muối NaCl trong dung dịch lên trên 2M, cường độ tín hiệu SFG của mode dao động CH3 đối xứng giảm nhưng cường độ tín hiệu SFG của mode dao động CH2 đối xứng gần như không thay đổi ( so với nồng độ dưới 2M), sự thay đổi là rất nhỏ, nguyên nhân thay đổi có thể do nhiễu loạn.
Hình 3.8. Đồ thị cường độ đỉnh CH3SS và CH2SS theo nồng độ của n- butanol trên nền dung dịch muối NaCl
Từ đó có thể kết luận anion Cl- xuất hiện trên bề mặt làm đuôi kỵ nước của các phân tử n – butanol bị xô nghiêng. Mô hình mô phỏng được biểu diễn trên hình 3.9
Hình 3.9. Mô phỏng đơn lớp n – butanol khi anion Cl- đi lên bề mặt dung dịch.
Như vậy, trong chương này nhóm đề tài đã đưa ra kết quả nghiên cứu đơn lớp n-Butanol trên các dung dịch muối NaI và NaCl có nồng độ thay đổi để thấy rõ ảnh hưởng của các ion halogen I¯, Cl¯ và ion Na+ lên cấu trúc phân tử của đơn lớp n-Butanol. Khảo sát được sự định hướng của các phân tử nước ở bề mặt và sự phân bố các ion I¯, Cl¯, Na+ trong dung dịch muối, từ đó cung cấp cho chúng ta biết kết quả nghiên cứu về cấu trúc của đơn lớp và lớp nước bề mặt ở cấp độ phân tử.
Phần V. KẾT LUẬN
Sau thời gian thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học chúng em đã thu được một số kết quả như sau:
- Tìm hiểu và trình bày đầy đủ lý thuyết tổng quan về đơn lớp Langmuir và phương pháp quang phổ dao động tần số tổng. Cơ chế phát tần số tổng từ bề mặt và mặt phân cách. Lý thuyết giải thích và một số sơ đồ kích thích để thu tín hiệu SFG từ bề mặt.
- Nghiên cứu phổ tín hiệu SFG của đơn lớp n- butanol trên mặt nước tinh khiết và trên bề mặt dung dịch muối có nồng độ thay đổi. Đã đo được các mode dao động của CHx của phân tử n-BuOH thuộc đơn lớp, đồng thời khảo sát mode dao động OH của lớp nước bề mặt bị nhiễu loạn do đơn lớp n-Butanol bị tan một phần trong nước.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của dung dịch muối NaI và NaCl lên đơn lớp: khi nồng độ các dung dịch muối tăng dần thì cường độ mode CH2 tăng , cường độ mode CH3 giảm cho thấy các phân tử n-BuOH có đuôi CH2 bị xô nghiêng. Còn cấu trúc phân tử lớp nước bề mặt được sắp xếp trật tự hơn. Tuy nhiên đối với dung dịch NaI thì tăng mạnh hơn dung dịch NaCl do độ cảm phi tuyến của phân tử NaI lớn hơn so với NaCl và ion I¯ nổi lên trên bề mặt cao hơn so với Cl¯.
Các kết quả thí nghiệm ở trên là một minh chứng rõ ràng cho sự có mặt của các anion I¯ và anion Cl¯trên bề mặt dung dịch, gây ảnh hưởng tới sự sắp xếp có định hướng của các phân tử nước ngay bên dưới đơn lớp và ảnh hưởng tới đuôi kỵ nước của đơn lớp, trong đó số lượng anion I¯ bị hấp thụ lên bề mặt dung dịch cao hơn số lượng anion Cl¯ xuất hiện trên bề mặt dung dịch. Ảnh hưởng của anion I¯ lên bề mặt lớn hơn ảnh hưởng của anion Cl¯ lên bề mặt.
Hướng nghiên cứu sắp tới: Tiếp theo, chúng em sẽ nghiên cứu sự ảnh
hưởng của các muối Brom, Flo lên đơn lớp và lớp nước bề mặt để có thông tin đầy đủ về sự ảnh hưởng của các muối Halogen lên đơn lớp Langmuir và lớp nước bề mặt.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TIẾNG VIỆT
1. Nguyễn Thế Bình (2007), Quang Học, Nhà xuất bản Đại học quốc gia Hà Nội.
2. Trần Thị Hồng (2012), Chế tạo và nghiên cứu quang phổ học giao động tần
số tổng từ đơn lớp Langmuir, Khóa luận tốt nghiệp, trường ĐH Khoa Học
Tự Nhiên, ĐHQG Hà Nội.
TIẾNG ANH
3. C. Y. Tang, H. C. Allen (2009), “Ionic Binding of Na+ and K+ to the Carboxylic Acid Head Group of Palmitic Acid in Monolayers using Vibrational Sum Frequency Spectroscopy”, J. Phys. Chem. A, 113, 7383- 7393.
4. Chi Hieu Hoang, HongyanLi, Goro Mizutani (2011), “Sum Frequency Generation Microscopy Study of Cellulose Fibers”, Society for applied Spectroscopy, 11, 1254-1259.
5. Heather C. Allen (2014), “Cation Effects on Interfacial Water Organization of Aqueous Chloride Solutions. I. Monovalent Cations: Li+, Na+, K+, and NH4+”, J. Phys. Chem. B, 118, 8433 −8440.
6. Lawrence F. Scatena and Geraldine L. Richmond (2004), “Isolated Molecular Ion Solvation at an Oil/Water Interface Investigated by Vibrational Sum-Frequency Spectroscopy”, J. Phys. Chem. B, 108, 12518- 12528.
7. M. Xu, C. Y. Tang, A. M. Jubb, X. Chen, H. C. Allen (2009), “Nitrate Anions and Ion Pairing at the Air/Aqueous Interface”; J. Phys. Chem. C,
113, 2082-2087.
8. Nguyen Anh Tuan, Yoshihiro Miyauchi, and Goro Mizutani (2012), “Lateral Resolution of an Infrared Visible Optical Sum Frequency Generation Confocal Microscope”, Jpn. J. Appl. Phys., 51, 122-402.
10. P. Guyot – Sionnest, J. H. Hunt, and Y. R. Shen (1987), “Sum - Frequency Vibrational Spectroscopy of a Langmuir Film: Study of Molecular Orientation of a Two – Dimensional System”, Physical Review Letters, 133, 189-192.
MỤC LỤC
Phần I. MỞ ĐẦU...1
1. Tính cấp thiết của đề tài...1
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn...2
3. Mục tiêu nghiên cứu...2
Phần II. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU...3
Phần III. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...6
1. Nội dung nghiên cứu...6
2. Phương pháp nghiên cứu...6
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu...6
Phần IV. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐẠT ĐƯỢC...7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ DAO ĐỘNG TẦN SỐ TỔNG...7
1.1. Cơ sở của quang học phi tuyến...7
1.1.1. Hệ phương trình Maxwell trong môi trường phi tuyến...7
1.1.2. Các hiệu ứng quang học phi tuyến...9
1.2. Phương pháp quang phổ học dao động tần số tổng...12
1.2.1. Quang phổ dao động hồng ngoại...12
1.2.2. Sự phát tần số tổng từ một bề mặt...14
1.2.3. Sự phân tích định hướng...18
1.3. Tổng quan về đơn lớp Langmuir...20
1. 3.1. Định nghĩa và cấu tạo của đơn lớp Langmuir...20
1.3.2. Sức căng và áp suất bề mặt...22
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT TÍN HIỆU SFG TỪ ĐƠN LỚP LANGMUIR...24
2.1 Chế tạo đơn lớp Langmuir...24
2.1.2. Vật liệu chế tạo đơn lớp Langmuir...24
2.2 Bố trí thí nghiệm và kỹ thuật đo quang phổ tần số tổng (SFG) trên hệ đo
EKSPLA - SF41...25
2.2.1 Hệ đo quang phổ tần số tổng EKSPLA - SF41...25
2.2.2 Các thành phần chính trong hệ đo...28
2.2.3 Bố trí thí nghiệm đo tần số tổng trên hệ đo EKSPLA - SF41...28
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...32
3.1 Khảo sát tín hiệu SFG từ đơn lớp Langmuir n-Butanol trên mặt nước khử ion...32
3.2. Khảo sát tín hiệu SFG từ đơn lớp n-Butanol trên bề mặt dung dịch muối halogen...35
3.2.1. Tín hiệu SFG từ đơn lớp n-Butanol trên bề mặt dung dịch muối natriiotua (NaI)...35
3.2.2. Tín hiệu SFG từ đơn lớp n-Butanol trên bề mặt dung dịch muối natriclorua (NaCl)...36
3.2.3 Khảo sát tín hiệu SFG của mode dao động CH3SS và CH2SS từ đơn lớp n – Butanol trên bề mặt dung dịch muối khi thay đổi nồng độ muối...39
Phần V. KẾT LUẬN...42
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
SFG: Sum frequency Generation – Sự phát tần số tổng
DFG: Difference frequency Generation – Sự phát tần số hiệu SF : Tín hiệu tần số tổng
IR : Infrared VIS : Visible
SHG : Second Harmonics Generation - Sự phát họa ba bậc hai BBO : Beta Barium Borate
KD*P: Deuterated Potasssium Dedeuterium Phosphate
OPO : Optical Parametric Osccillator – Dao động tham số quang OPA : Optical Parametric Amplifier – Khuếch đại tham số quang OPG : Optical Parametric Generation – sự phát tham số quang NaCl : Sodiom Cloride – Natri Clorua
DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1 Sự phát tham số quang học, hình bên trái tương đương
với phương trình (1.26), hình bên phải tương đương với phương trình (1.28) ………
Hình 1.2 Phổ hồng ngoại của các nhóm chức, nhóm nguyên tử….. Hình 1.3 Một số mode dao động của nhóm phân tử CH3-, -CH2-, C-O………
Hình 1.4 Phân cực S và P của ánh sáng tới trên một bề mặt……... Hình 1.5 Đơn lớp Langmuir trên bề mặt nước……… Hình 1.6. Hình minh họa một đơn lớp Langmuir trải đều tại mặt
phân cách không khí/nước trong không gian 3D và 2D………
Hình 1.7 Sơ đồ minh họa tương tác của các phân tử tại một mặt
phân cách không khí/chất lỏng và trong khối của chất lỏng………..
Hình 2.1 Mô hình của n-butanol……….. Hình 2.2 Cấu hình thí nghiệm SFG………... Hình 2.3 Bố trí thí nghiệm SFG……… Hình 2.4. Khoảng cách từ mẫu đến máy đơn sắc ~ 650 mm……... Hình 3.1 Phổ SFG của đơn lớp n-Butanol trên mặt nước siêu sạch
với cấu hình phân cực SSP………..
Hình 3.2 Mode kéo dãn đối xứng của nhóm CH3……….
Hình 3.3. SFG của n- Butnol đơn lớp trên dung dịch muối NaI
thay đổi từ nồng độ 0,5M đến 3M……….
Hình 3.4. Tín hiệu SFG của đơn lớp n- Butanol trên dung dịch
muối NaCl khi thay đổi nồng độ từ 0,5M đến 2M……….
Hình 3.5.Tín hiệu SFG của mode dao động OH của n- Butanol
đơn lớp trên dung dịch muối NaI và NaCl khi ở cùng nồng độ muối 3M……….
Hình 3.6. Đồ thị cường độ đỉnh CH3SS và CH2SS theo nồng độ của n- butanol trên nền dung dịch muối NaI ………...
Hình 3.7. Mô phỏng đơn lớp n – butanol khi anion I- đi lên bề mặt
11 13 13 15 20 21 22 24 26 29 30 32 34 35 37 38 39
dung dịch………...
Hình 3.8. Đồ thị cường độ đỉnh CH3SS và CH2SS theo nồng độ của n- butanol trên nền dung dịch muối NaCl……….
Hình 3.9. Mô phỏng đơn lớp n – butanol khi anion Cl- đi lên bề mặt dung dịch………
40
40