ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ МИЦЕЛЛ ПАВ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА ДИНАМИЧЕСКОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА

АННОТАЦИЯ

Работа посвящена исследованию физических свойств дисперсных систем. Рассмотрены методы измерения размеров мицелл, среди которых выделен метод динамического рассеяния света. На основе данного метода был исследован раствор натрия диоктилсульфосукцината. Исходя из полученных данных рассчитан средний размер мицелл дисперсной системы.

Ключевые слова: метод динамического рассеяния света, коллоидные системы, дисперсные системы, мицеллы, ПАВ

В настоящее время значительное внимание уделяется изучению дисперсных систем, среди которых большой практический интерес представляют коллоидные системы, состоящие из частиц размером от 1 до 100 нм – мицелл. Это структуры, состоящие из амфифильных молекул и обладающие свойством солюбилизации. [1] Строение прямых  мицелл схематично изображено на рис. 1.

Свойство солюбилизации широко применяется во многих сферах деятельности человека, таких как биология, медицина и промышленность. На практике для исследования солюбилизации измеряют размер мицелл. Решение подобных задач возможно лишь при совместном использовании физических, химических и математических методов исследования.

Рисунок 1. Строение прямой мицеллы

Размер частиц в коллоидных системах может измеряться методом диффузометрии ядерного магнитного резонанса [2], но в последнее время все чаще применяется метод динамического рассеяния света (ДРС) [3]. С помощью ДРС вначале определяется коэффициент диффузии дисперсных частиц в исследуемом образце путем анализа характерного времени флуктуаций интенсивности рассеянного света. Затем, на основании полученных данных рассчитывается их размер [4].

В настоящей работе для проведения анализа с помощью метода динамического рассеяния света использовалась установка, основой которой выступал оптический гониометр ЛОМО, источник излучения – одномодовый гелий-неоновый лазер (λ = 632,8 нм; W = 25 мВт; диаметр сечения луча 0,1 нм), коррелятор – «Photocor-FC». Схема установки представлена на рис. 2. В качестве коллоидной системы применялся водный раствор анионного ПАВ (натрий диоктилсульфосукцинат) в концентрации 0.2 моль/л. Растворы исследуемых образцов были приготовлены на дистиллированной воде. Температура при исследовании поддерживалась термостатом – t = 20 °C.

Рисунок 2. Схема экспериментальной установки

Хаотическое броуновское движение дисперсных частиц вызывает микроскопические флуктуации их локальной концентрации, которые приводят к неоднородностям показателя преломления среды. Следовательно, часть света будет рассеяна при прохождении лазерного луча через подобную среду. Таким образом, флуктуации локальной концентрации мицелл связаны с флуктуациями интенсивности рассеянного света. На основании данных, полученных при проведении эксперимента, был построен график временной автокорреляционной функции (рис. 3), которая по определению имеет следующий вид [5]:

                                     (1)

где: I - интенсивность;

tm – время интегрирования.

Интенсивность автокорреляционной функции рассеянного света может быть представлена как функция экспоненциального спада:

                                                           (2)

где: a, b – экспериментальные константы;

tc – время корреляции, обратная величина которого рассчитывается по формуле (3).

Рисунок 3. График временной автокорреляционной функции, аппроксимированный по формуле (2)

                                                                                                 (3)

где: D – коэффициент диффузии частиц;

q - волновой вектор флуктуаций концентрации, описываемый выражением:

                                                                                         (4)

где: n – показатель преломления жидкости;

λ – длина волны лазерного света;

 - угол рассеяния.

Если форма частиц известна, их размер можно рассчитать с помощью соответствующих формул. Для сферических частиц радиуса R используется формула Стокса-Эйнштейна [5]:

                                                                                  (5)

где: kB – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура;

η – сдвиговая вязкость среды.

Таким образом, после математической обработки экспериментальных данных был рассчитан средний размер дисперсных частиц раствора натрия диоктилсульфосукцината с помощью метода ДРС. В результате радиус мицелл равен R= 5 нм.  При этом приборная ошибка измерений составила 3 – 4%.

Список литературы:

1. Захарченко В. Н. Коллоидная химия: Учеб. для для медико-биолог. спец. вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1989. — 238 с.
2. Архипов, В.П. Размеры мицелл в водных растворах цетилтриметил-аммоний бромида – исследование методом ЯМР диффузометрии / В.П. Архипов, З.Ш. Идиятуллин // Вестник Казанского технол. ун-та.– 2009.– № 6.– С. 45–51.
3. Determining the hydrodynamic radii of AOT micelles with silver nanoparticles by means of photon correlation spectroscopy Bulavchenko A.I., Popovetskiy P.S. // Russian Journal of Physical Chemistry A. 2012. Т. 86. № 6. С. 999-1003.
4. Measurement of sizes of colloid particles using dynamic light scattering Kulikov K.G., Koshlan T.V. Technical Physics. // The Russian Journal of Applied Physics. 2015. Т. 60. № 12. С. 1758-1764.
5. Андреева О.В., Андреева Н.В., Дроздов А.А., Кузьмина Т.Б., Исмагилов А.О., Чигрин Р.Н., Экспериментальный практикум по оценке распределения частиц по размерам в наносуспензиях и наноэмульсиях. // Учебное пособие – СПб: Университет ИТМО, 2016. – 30 с.