ソフト界面吸着膜におけるドメイン構造とその形成原理を明らかにする研究

阐明软界面吸附膜域结构及其形成原理的研究

• 批准号: 12J03699
• 负责人: 今井 洋輔
• 金额: $ 1.15万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2012
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2012 至 2013
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J03699/
• 关键词: 吸着膜不均一構造; イオン特異効果; 吸着膜ドメイン; イオンの特異効果

この研究の大きな目的は、イオン性界面活性剤水溶液の表面吸着膜中で存在が予想されているドメイン構造、またその様な吸着膜構造とそれを構成する化学種間の相互作用の関係を明らかにすることであった。これに関して世界でも数グループのみ可能な新規の全反射XAFS法と当研究室独自の表面張力の精密な相図解析を駆使することで電気二重層の対イオン分布の観点から不均一構造および吸着膜構造に及ぼすイオンの特異効果の解明に関して以下に報告する世界初の成果を上げた。対イオンにBrを含む界面活性剤吸着膜において、全反射XAFSより水溶液中と同様に6水和したBr (free-Br)と、一部脱水和して活性剤イオンとイオン対を形成したBr (bound-Br)の2種が観測され、bound-Brの存在比(バウンド比)による対イオン分布の評価から吸着膜内での不均一な凝集構造の形成が示唆され、それらは親水基間イミダゾリウム環が生じるパッキングや疎水鎖長の違いが引き起こす親水基のスタッガード配列に起因することが示された。対イオンニ種類が共存する混合系ではバウンド比と界面熱力学量を併せた考察よりイミダゾリウム環とBF_4の水素結合や水和自由エネルギーの小さな対イオンが優先的に頭部近傍を占めるエンタルピーの減少、サイズの異なる対イオンが制限された電気二重層内のスペースを効果的に共有するエントロピーの増加などが対イオン分布すなわち吸着膜構造を大きく変えることが明らかとなった。上に示した二つの手法を駆使し、通常Stern層や拡散層などを用いて表される電気二重層モデルを介さず、実験から対イオン分布を定量評価できたことの意義は大きい。これにより一部明らかとなった不均一構造、イオン特異効果に重要な対イオンの性質を用いることで、既存の電気二重層モデルの検証や新たなモデルの提案、界面熱力学量の分子論的な解釈など、界面電気現象に関する物理化学が益々進展することが期待される。

本研究的主要目的是阐明预计存在于离子表面活性剂水溶液的表面吸附膜中的域结构，以及这种吸附膜结构与组成它的化学物质之间的相互作用。对此，我们充分利用国际上仅有少数团队掌握的全反射XAFS新方法，以及我们实验室独有的表面张力精密相图分析技术，能够对非均匀结构和吸附进行分析。我们从双电层中反离子分布的角度对薄膜进行了研究，我们取得了世界上第一个关于阐明离子对结构的具体影响的结果。在含有 Br 作为抗衡离子的表面活性剂吸附膜中，全反射 XAFS 显示 Br（游离 Br）在水溶液中呈六水合物，并且 Br（游离 Br）部分脱水与活性剂形成离子对离子。观察到两种类型的（结合-Br），并且根据结合-Br的丰度比（结合比）评估抗衡离子分布，表明在吸附膜内形成了不均匀的聚集结构，并且这些结构介于结果表明，这是由于咪唑鎓环的堆积和疏水链长的差异引起的亲水基团的交错排列。在两类抗衡离子共存的混合体系中，咪唑鎓环与BF_4之间的氢键以及水合自由能小的抗衡离子优先占据头部附近，基于束缚的考虑导致焓下降比率和界面热力学已经很清楚，熵的增加，其中不同尺寸的反离子有效地共享受限双电层内的空间，显着改变了反离子分布，即吸附膜的结构。充分利用上述两种方法，无需依赖通常用Stern层、扩散层等表示的双电层模型，能够从实验中定量评估反离子分布，具有重要意义。通过利用部分澄清的异质结构和对离子特异性效应重要的抗衡离子的性质，我们可以验证现有的双电层模型，提出新的模型，并研究界面热力学量的分子理论，预计将取得进一步的进展。在界面电现象的物理化学方面做出了贡献，包括新的解释。

项目成果

Effect and mixing of counter anions at the surface of aqueous solution of imidazolium-based ionic liquids

• DOI: 10.1016/j.colsurfa.2013.02.062
• 发表时间: 2013-06
• 期刊: Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects
• 作者: Huihui Li;Y. Imai;T. Takiue;H. Matsubara;M. Aratono

全反射XAFS法による吸着膜の対イオン表面分布に及ぼすイオンの特異効果

使用全反射 XAFS 方法研究离子对吸附膜反离子表面分布的特定影响

• 发表时间: 2013
• 作者: Yosuke Imai;et al;Yosuke Imai;今井 洋輔
• 通讯作者: 今井 洋輔

Study on the distribution of binary mixed counterions in surfactant adsorbed films by total reflection XAFS measurements

全反射XAFS测量研究表面活性剂吸附膜中二元混合抗衡离子的分布

• DOI: 10.1016/j.jcis.2012.08.044
• 发表时间: 2012
• 期刊: Journal of Colloid and Interface Science
• 影响因子: 9.9
• 作者: Yosuke Imai;et al
• 通讯作者: et al

Miscibility of imidazolium and pyridinium ionic liquids including BF_4 at the air/ water interface

含 BF_4 的咪唑鎓和吡啶鎓离子液体在空气/水界面的混溶性

• 发表时间: 2013
• 期刊: Colloids and Surfaces A
• 作者: Hiroki Takumi;Yosuke Imai;et al
• 通讯作者: et al

全反射XAFS法によるイオン液体対イオンの水溶液表面での溶媒和構造に関する研究

全反射XAFS法研究水溶液表面离子液体抗衡离子的溶剂化结构

• 发表时间: 2013
• 期刊: 表面科学
• 作者: 今井洋輔;ら
• 通讯作者: ら