帯電界面の熱力学的不安定性:発見の一般化と膜系への展開

带电界面的热力学不稳定性：研究结果的推广和膜系统的扩展

基本信息

批准号：
15655008
负责人：
垣内隆
金额：
$ 1.98万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2004
项目状态：
已结题

项目摘要

前年度のテーマを引き続き研究すると共に、界面不安定性に与える界面面積の影響と不安定性の顕微鏡による観察をおこなった。界面の電気化学的不安定性は熱力学的な不安定性であるので、安定-不安定の相互変化は擬2次元系の相転移と考えられる。したがって、その発現のダイナミックなプロセスは、過冷却水における核生成・成長と同様に、熱力学的な安定条件とは別に検討されなければならない。核生成の確率は、界面の大きさを制限している縁の効果を別とすれば、界面の面積に比例すると考えられる。この予測を確かめるために、界面の大きさを変えて不安定性の発現を調べた。ガラスキャピラリーを引き延ばし、直径が数十ないし数ミクロンのその先端に作成した界面では、電流-電圧曲線の形から判別した不安定性の発現は確認されたが、その発現確率は界面の面積の減少と共に小さくなることを見いだした。まず第一に、この微小界面を用いた実験では、大きい界面ではほぼ必然的である正帰還による溶液抵抗の補償を行っていないので、不安定性の発現は溶液抵抗の補償によって生じた人為的な現象ではないことが確認された。これは界面の電気化学的不安定性を一般化する上で非常に重要な知見である。第二に、不安定性の発現確率が界面の面積に依存するという直感とは相反する知見は、不安定性の性質を知る上で重要である。また、不安定性を引き起こすのに必要な界面活性イオンの濃度が増加することを見いだした。界面の面積が10μm^2以下では、界面活性イオンの濃度を10mMまで上げても不安定性による電流の乱れや増加は見られなかった。界面の縁の効果が10μm^2程度のスケールで現れるとは考えにくいので、見られた対流の抑制は、キャピラリー内での物質輸送の困難さによる対流の抑制によるものかもしれない。このことは、顕微鏡による界面の観察からも裏付けられた。すなわち、不安定電位領域での界面の振動は、必ずしも巨視的な電流-電圧曲線の異常を引き起こさない。脂質二分子膜に関する研究に関しては、本年度は、膜を横切る電位差の制御と電流測定のための新しい装置を構築することにほぼ専念した。また、ベシクルを安定して形成させる実験条件と単一ベシクルを補足する方法を検討した。以上の結果は、前年度の結果と併せて、界面の電気化学的不安定性の一般性を明らかにするために、大きく寄与すると考えられ、膜系の不安定性の研究の基礎を形作ることができた。

除了继续去年的主题研究之外，我们还用显微镜观察了界面面积对界面不稳定性和不稳定性的影响。由于界面处的电化学不稳定性是一种热力学不稳定性，因此稳定-不稳定的相互变化被认为是准二维系统中的相变。因此，其表达的动态过程，如过冷水中的成核和生长，必须与热力学稳定性条件分开考虑。除了边缘限制界面尺寸的影响之外，成核的概率被认为与界面面积成正比。为了证实这一预测，我们通过改变界面的大小来检查不稳定性的发展。在直径为数十至数微米的拉伸玻璃毛细管尖端处形成的界面处，根据电流-电压曲线的形状确认了不稳定的发生，但其发生的概率随着面积的增加而增加。我发现它变小了。首先，在使用该微界面的实验中，溶液电阻没有被正反馈补偿，这对于大界面来说几乎是不可避免的，因此不稳定的发生是由于溶液电阻补偿引起的伪影造成的。这不是一个现象。这是推广界面电化学不稳定性的一个非常重要的发现。其次，出现不稳定性的概率取决于界面面积这一反直觉的发现对于理解不稳定性的本质很重要。我们还发现引起不稳定所需的表面活性剂离子浓度增加。当界面面积小于10μm^2时，即使表面活性剂离子的浓度增加到10mM，也没有观察到由于不稳定性而引起的干扰或电流增加。观察到的对流抑制可能是由于毛细管内质量传输困难导致对流抑制，因为界面边缘的影响不太可能出现在 10 μm^2 左右的尺度上。使用显微镜观察界面也证实了这一点。也就是说，不稳定电位区域的界面振动并不一定会导致宏观电流-电压曲线的异常。关于脂质双层膜的研究，今年主要致力于构建用于控制电位差和测量跨膜电流的新装置。我们还研究了稳定囊泡形成的实验条件和捕获单个囊泡的方法。上述结果与前一年的结果一起被认为对阐明界面电化学不稳定性的普遍性做出了重大贡献，并且可以构成膜系统不稳定性研究的基础。