帯電粒子のなだれ型界面移動とシグナル増幅への応用

带电粒子雪崩型界面运动及其在信号放大中的应用

基本信息

批准号：
13022232
负责人：
垣内隆
金额：
$ 2.69万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2002
项目状态：
已结题

项目摘要

当初の目的に掲げた信号増幅システムに関しては、昨年に発表したように、そのプロトタイプを作ることが出来た。今年度は、この研究の過程で見いだした興味深い界面現象である「帯電した液液界面の電気化学的不安定性」に重点を置いて研究した。水と油などの二相間の界面が熱力学的に安定に存在するためには、界面張力の界面電位差についての二次微分は負でなければならない。これは、界面の持つ電気容量が正でなければならないことを意味する。通常の液液界面ではこの条件は満たされているが、イオン性界面活性剤など、界面に電位依存的に吸着するイオンが系に存在すると、この条件が満たされなくなることがある。これは、吸着と分配がともに電位依存的に起きることによる。これが界面の電気化学的不安定性である。この不安定性は、1.界面電位差のある範囲で窓上に存在する、2.界面張力が正であるにもかかわらず不安定になる、3.不安定領域は常に、そのイオンが持つ標準イオン移動電位付近に存在する、などの特徴を有する。末端に親水基としてSO_3^-あるいはSO_4^-を持つ一連の脂肪族アニオン性界面活性剤および、アルキルアンモニウムイオンやイミダゾリウムイオンなどのカチオン性界面活性剤について、理論的予測を裏付ける実験結果を得た。界面のビデオ画像から、電流の乱れは界面付近の溶液の攪拌と対応しており、また、エマルション生成が認められた。このことは、不安定電位領域では、マランゴニ効果による機械的運動とエマルション生成による界面の消滅が起きている。界面の電気化学的不安定性は、界面は自立的な相とは見なし得ないものの、2成分液体の相分離などの相転移と本質的に同一な相転移の一種であると考えることができ、電気化学的安定-不安定の転移は、電気化学的界面転移、界面消滅転移と呼ぶこともできよう。

至于我们最初的目标信号放大系统，正如去年宣布的那样，我们能够创建一个原型。今年，我们重点关注“带电液-液界面的电化学不稳定性”，这是本研究过程中发现的一种有趣的界面现象。为了使水和油等两相之间的界面存在热力学稳定，界面张力相对于界面电位差的二阶导数必须为负。这意味着界面的电容必须为正。尽管在正常的液-液界面处满足该条件，但是如果系统中存在以电压依赖方式吸附到界面的离子（例如离子表面活性剂），则可能不满足该条件。这是因为吸附和分布都以电压相关的方式发生。这就是界面的电化学不稳定性。这种不稳定的原因是： 1. 窗口上存在一定范围的界面电位差； 2. 即使界面张力为正，也会出现不稳定； 3. 不稳定区域始终包含该离子所具有的标准离子。诸如存在附近移动潜力等特征。我们获得的实验结果支持了一系列末端带有 SO_3^- 或 SO_4^- 作为亲水基团的脂肪族阴离子表面活性剂和烷基铵离子和咪唑鎓离子等阳离子表面活性剂的理论预测。界面的视频图像显示电流扰动对应于界面附近溶液的搅动，并且观察到乳液形成。这意味着在不稳定的电位区域中，由于马兰戈尼效应而产生机械运动，并且由于乳液的形成而发生界面的湮灭。界面处的电化学不稳定性可以被认为是一种相变，其本质上与两组分液体的相分离等相变相同，尽管界面不能被视为自支撑相，即电化学稳定-不稳定。转变也可称为电化学界面转变或界面湮没转变。