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：
11167246
负责人：
垣内隆
金额：
$ 2.82万
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 (A)
财政年份：
1999
资助国家：
日本
起止时间：
1999 至 2000
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11167246/
关键词：
液液界面電気化学的不安定性電気化学的安定性エマルション界面活性イオンアルキルスルフォン酸自発的にエマルション生成なだれ型融合なだれ型移動イオン移動 AOT スパイクマラゴニ効果 W Oエマルション

项目摘要

1)帯電した液液界面の電気化学的不安定性エマルション粒子の油水界面へのなだれ的融合を調べるための実験系としてAerosol-OT(AOT,dioctyl sodium sulphosuccinate)を用い、分極性界面近傍に形成されるエマルションの生成メカニズムと、融合条件を検討してきた。その過程で、エマルションが自発的に形成されるメカニズムが未解明であることがわかったので、この点を詳しく検討した。その結果、帯電した液液界面の安定性に関する一般的基準を明確にすることが出来た。これは、本研究の目的のみならず、界面化学一般に重要な新概念であり、液膜の非線形振動現象など、本特定研究の他の研究分野にも新しい考え方を提案するものである。【電気化学的不安定性の理論】液液二相界面におけるイオン性界面活性剤など界面活性なイオンの吸着は、二相間の界面電位差Eに強く依存する。吸着の電位依存性に対する熱力学的考察により、そのイオンの標準イオン移動電位を中心としたある特定の電位領域で最大となり、その外側では吸着は起こらないことを示すことができる。それに対応して、吸着が生じる電位領域では界面張力γが低下する。一方、γは界面の両側にできる電気二重層のために界面活性剤の吸着がない場合でも、電気毛管極大を頂点としてEに応じて放物線状(-coshx状)に変化する。これらの二つの寄与が加算的であると考えて界面活性なイオンが存在する場合のγ vs.E曲線(電気毛管曲線)を求めた。電気毛管曲線は界面活性イオンの標準イオン移動電位付近で凹状になり、γのEについての2次微分はくぼみの底付近を中心として正になる。これは、界面の微分容量が負になることを意味する。電気容量が負になると系は本質的に不安定になりγが大きく正でも、自発的にエマルションが生じる。この不安定性は、γが有意に正の値を持つときでも生じるので、電気乳化とは違った、これまでには知られていない新しい不安定性である。その基準は、(d^2γ/dE^2)_<γ,ρ,μ>>0実際には、不安定になるか否か、つまり電気毛管曲線の曲率が正になるか否かは、界面活性イオンの標準イオン移動電位とその吸着がないときの電気毛管極大電位(ゼロ電荷電位)との相対的な位置にも依存する。この不安定電位窓の存在を、一連のアルキルスルフォン酸のイオン移動ボルタンメトリーなどにより証明した。不安定性の例を下図に示す。ある特定の電位範囲でのみ界面が不安定になり、再現性良くカオス的な挙動を示す。AOT存在下での自発エマルション生成は、この理論で説明できる。また、液膜の振動現象の根拠を与える。2)ガラスキャピラリー電極を用いた微視的なだれ型融合の検出これまでに数百μm程度の巨視的なエマルションのなだれ型融合を報告してきた^<1.2)>。これにくわえて、より小さなエマルションの液液界面への融合過程が存在することを、先端径が10〜100μmガラスキャピラリーの先端に作った液液界面を用いて実験的に示した。この場合も、融合はなだれ型で生じているようである。

1）带电液-液界面的电化学不稳定性以Aerosol-OT（AOT，二辛基磺基琥珀酸钠）为实验系统，研究了乳液颗粒与油-水界面的雪崩融合，并研究了乳液的生成机理。融合条件。在此过程中，我们发现乳液自发形成的机制尚不清楚，因此我们对此进行了详细研究。因此，我们能够阐明有关带电液-液界面稳定性的一般标准。这不仅对于本研究的目的，而且对于整个表面化学来说都是一个重要的新概念，并且它为该特定研究的其他研究领域（例如液膜中的非线性振动现象）提出了一种新的思维方式。 [电化学不稳定性理论] 离子表面活性剂等表面活性离子在液-液两相界面的吸附强烈依赖于两相之间的界面电位差E。对吸附电势依赖性的热力学考虑表明，在以离子的标准离子转移电势为中心的某个电势范围内吸附最大，并且在该范围之外不会发生吸附。相应地，界面张力γ在发生吸附的电位区域降低。另一方面，由于界面两侧形成双电层，即使在没有表面活性剂吸附的情况下，γ也会以电毛细管最大值为顶点呈抛物线状（-coshx状）变化。考虑到这两个贡献是相加的，我们计算了表面活性离子存在下的 γ 与 E 曲线（电毛细管曲线）。电毛细管曲线在表面活性剂离子的标准离子转移电势附近变为凹形，并且γ相对于E的二阶导数在凹陷底部附近变为正值。这意味着接口的差分电容变为负值。当电容变为负值时，系统本质上变得不稳定，并且即使γ很大且为正值，也会自发形成乳液。即使当 γ 具有显着的正值时，这种不稳定性也会发生，因此它是一种新的且以前未知的不稳定性，与电乳化不同。判据是(d^2γ/dE^2)_<γ,ρ,μ>>0，其实是否变得不稳定，即电毛细管曲线的曲率是否为正，也是取决于表面活性剂离子的标准离子转移电势与其在没有吸附的情况下的电毛细管最大电势（零电荷电势）之间的相对位置。通过一系列烷基磺酸的离子转移伏安法证明了这种不稳定电位窗口的存在。下图显示了不稳定的示例。该界面仅在一定的电位范围内变得不稳定，并且表现出具有良好再现性的混沌行为。该理论可以解释 AOT 存在下自发乳液的形成。这也为液膜振动现象提供了基础。 2) 使用玻璃毛细管电极检测微观雪崩型融合到目前为止，我们已经报道了数百μm^<1.2)>乳液的宏观雪崩型融合。此外，我们通过实验证明，使用在尖端直径为 10 至 100 μm 的玻璃毛细管尖端处创建的液-液界面，存在较小乳液融合到液-液界面的过程。同样，聚变似乎以雪崩的方式发生。