Inverkan av kiselpartiklar om struktur Triton X-100 lösningar med SAXSess små vinklar röntgenspridning instrumentet av Anton Paar

Ämnen som tas upp

Bakgrund

Anton Paar GmbH tillverkar avancerade instrument för mätning och laboratorium för industri och forskning. Det är världsledande inom mätning av densitet, koncentration och CO2 och inom reometri. Anton Paar GmbH ägs av den välgörande Santner Foundation.

Mer än 1180 anställda på huvudkontoret i Graz och tretton säljbolag över hela världen se till att Anton Paar produkter lever upp till sitt goda rykte. Den kärnkompetens Anton Paar - med hög precision produktionen - och nära kontakt med den vetenskapliga grunden för kvaliteten på Anton Paar s instrument.

Inledning

Miceller är ett klassiskt exempel på mikrostrukturer bildas genom självorganisering av amfifila molekyler i vattenlösning lösningsmedel. Micellär system har ett brett spektrum av tillämpningar, såsom rengörande, drog microencapsulation, rening av proteiner, och processer återhämtning i oljeindustrin, för att bara nämna några. Mot bakgrund av dessa viktiga användningsområden har de olika fysikalisk-kemiska egenskaper micellär lösningar samt deras interaktioner med tillsats agenter studerats ingående. Beteendet hos tensid system kan bero kritiskt lösning sammansättning.

Triton ® X-100 är en icke-joniska (neutralt) tensid och är en av de mest studerade och utnyttjade micellär system. Studier har genomförts för att belysa fasdiagram och micellär storlek och form under olika förhållanden, såsom inverkan av höga temperaturer. Det har visat sig att Triton ® X-100 kan skapa HH bindning med vatten molekyler eller partiklar tillsats. Dessutom trots att Triton ® X-100 är icke-joniska, ® X-100 miceller struktur Triton påverkas av joner.

Figur 1. Schematisk representation av Triton ® X-100. Antalet oxietylengrupper per kedja mellan n = 9 och n = 10.

I denna rapport beskriver vi påverkan av kiselpartiklar på strukturen hos Triton ® X-100-lösningar med hjälp av SAXSess små vinklar röntgen spridning instrumentet från Anton Paar GmbH .

Den Experiment

Studien utfördes med hjälp av kommersiellt tillgängliga Triton ® X-100 från Sigma-Aldrich. Denna tensid består av en kort alifatisk kedja och en hydrofil fraktion med ett genomsnittligt antal 9,5 oxietylen enheter per molekyl (Fig 1).

Den kolloider var kiseldioxid sfärerna Ludox ® TM-50 och LS-30 från Dupont ®. Den genomsnittliga diameter är s = 22 nm med en specifik yta på 140 m ² / g för Ludox ® TM-50 och σ = 12 nm med en specifik yta på 215 m ² / g för LS-30. Båda partiklar är negativt laddade. PH i lösningar lager kiseldioxid vid T = 25 ° C är ca 9 och 8 för Ludox ® TM-50 och LS-30, respektive. Båda partiklar användes som mottagits. För enkelhetens skull Triton ® X-100 och Ludox ® TM-50 och kommer att LS-30 hänvisas till i rapporten som TX-100, TM och LS, respektive.

För alla prover, var förberedelserna som följer: lager kiseldioxid lösningar upplöstes i ren TX-100. Då avjoniserat vatten (Milli-Q Millipore systemet, 18 MΩ.cm) lades till att den slutliga koncentrationen av båda komponenterna. Sammansättningen av proverna var 50 wt% av TX-100 (H ₁ kristallina fasen, se nedan) blandat med TM eller LS partiklar vid koncentrationer i intervallet från 0,5 wt% till 4 wt%. Proverna var kraftigt rörs i 5 till 10 minuter en fullständig blandning och jämvikt i 2 dagar. Eftersom proverna vid dessa tensider koncentrationer på 50 wt% var fast som vid rumstemperatur, de var då uppvärmd till 50 ° C för att minska viskositeten och fylls på 1 mm kvarts kapillärer. Kapillärerna åter jämvikt för en dag och monterade i provet innehavaren av SAXSess instrumentet.

Den SAXSess små vinklar röntgen spridning instrumentet från Anton Paar GmbH har använts i slit-kollimering configur-ring med PW3830 röntgen generator (40 kV, 50 mA) från PANalytical med en lång fin fokus röntgenrör ( CuK _en våglängd λ = 0,1542 nm).

Upptäckt av spridd strålning utfördes med en 2D-bild plattläsaren (Cyclone ® med Perkin Elmer). Undersökningarna inriktades på en rad spridning vektorer från 0,1 nm ^-1 = q = 4 nm ^-1, där q = (4π / λ) sin (θ / 2) och Q är den spridning vinkel.

Den TCS 120 temperaturreglering enheten levereras av Anton Paar GmbH användes för temperaturberoende studier.

Micellär storlek, struktur och fasbeteende

TX-100 bildar miceller vid koncentrationer över de så kallade kritiska micellär koncentrationen (CMC) i ~ 0,3 mm. Dessa miceller tros ha en oval struktur, vilket motsvarar en två-shell ellipsoid om revolution, med semi-axlarna en ₁ = b ₁ = 3,5 nm, c ₁ = ₁ nm för kärnan och ett ₂ = b ₂ = 4,75 nm , C ₂ = 2,25 Nm i de yttre skal. Eftersom förhållandet mellan stora till mindre axeln är ungefär 2, kan ellipsoiden approximeras någorlunda väl med en effektiv sfär med en diameter σ ₁ = 7,5 nm. Det finns en del allmän enighet om att micellär storlek inte varierar med ökande temperatur och att den ökade spridningen intensitet främst uppkommer från förändringar i intermicellar interaktioner. Goyal et al har visat att motsvarande struktur faktorn S (q) och beskrivs med hjälp av en klibbig Hård Sphere modell antar att miceller interagerar via en tunn attraktivt torg och potential djup U ₀ (<0) och bredd Δ (~ 3 A ^{- 1).} Vid höga temperaturer över molnet punkt temperatur (T _CP), den micellär lösningarna genomgå fasseparation i en späd och koncentrera fas.

I motsats till situationen vid låg till medellåg tensid koncentrationer, TX-100 utgör en sexkantig flytande kristallina fasen (H1 fas) med en uppmätt moln temperatur av ca 89 ° C vid en koncentration av 50 vikt% i vatten. SAXS gör det nu möjligt för oss att undersöka effekten av temperaturen på strukturen hos den sexkantiga fas. Figur 2 visar desmeared mönster erhålls med SAXSess instrumentet för temperaturer från 25 ° C till 50 ° C, alltså långt under T _CP.

Den inbördes ordning i strukturen vid T = 25 ° C kan utläsas av den experimentellt observerade förhållandet mellan topp positioner:

Dessa värden är helt överens med den teoretiskt förväntade värden för en hexa-GONAL flytande kristallina fasen:

√ 3, 2, √ 7, ...

Figur 2. Desmeared SAXS spridning kurvor [7] (log-lin representation) som erhållits för ren TX-100 till 50 vikt% i H ₂ O för temperaturer från 25 ° C till 50 ° C. Positionerna av Bragg topparna indikeras av pilarna. I den infällda, är de ursprungliga slit-utsmetad spridning kurvor visas.

Gallret parametern (närmast intilliggande avstånd) kan då erhållas med hjälp av:

där (h, k, l) är de Miller index. Detta leder till ett galler parameter för ren TX-100 med 50 wt% av en ⋍ 5,80 nm. Baserat på detta värde, kan vi nu följa inflytande läggas kvarts nanopartiklar på den resulterande strukturen av tensiden-kolloid blandning.

Figur 2 också tydligt visar stark påverkan av temperaturen på graden av korrelation i den flytande kristallina fasen, som plötsligt minskar mellan 25 ° C och 35 ° C. I själva verket toppar Q [2] och q [3] försvinna; toppen q [1] är fortfarande synliga, men dess form är bredare och dess intensitet lägre och spridningen mönstret blir lik en starkt korrelerade vätska-liknande micellär systemet. Den högsta positionen är också skiftat något, vilket ger ett gitter parameter för om en ₃₅ ⋍ 6,10 nm (en ₃₅ / A = 1,05). Ovanför T = 35 ° C inga tydliga förändringar kan observeras i spridningen kurvorna, strukturen är densamma.

Resultat

Efter att ha haft möjlighet att kvantitativt återskapa kända fasen beteende TX-100 vid höga tensid koncentrationer och kvantitativt bestämma gitter parameter i sexkantiga fasen är vi nu i stånd att undersöka hur tillsats av små kolloidala partiklar till struktur tensiden fas. Detta visas i figur 3, vilket ger spridning kurvor som erhålls för TX-100 på 50 wt% i vatten med olika LS partikel concentr-heten vid T = 25 ° C. Det visar att spridningen signalen nedan q = 1 nm ^-1 beror främst på att den partiella strukturen faktorn för partiklar (formfaktor P _cc (q) och struktur faktor S _cc (q)). Ovanför q = 1 nm ^-1 en sexkantig struktur fortfarande är klart synlig (infälld i bild. 3).

Figur 3. Slit-utsmetad SAXS scattering kurvor (log-log representation) som erhållits för TX-100 till 50 vikt% i H ₂ O med olika koncentrationer LS partikel i en temperatur på T = 25 ° C. I den infällda bilden är detaljer om Bragg toppar för flytande kristallstruktur ges för samma spridning kurvorna (lin-lin representation). Bilden plattan Bilden som erhållits med 0,5 wt% av LS partiklar visas också.

Men jämfört med rena TX-100-lösningar topp positioner systematiskt förskjutits till lägre q-värden, vilket ger ett gitter parameter för en _LS25 ≈ 6,0 nm. Denna förskjutning finns också med TM partiklar (resultat visas inte) där vi hittar en _TM25 ≈ 6,0 nm. Sådana resultat är förenligt med det faktum att partiklarna inducerar defekter inuti kristallina fasen av TX-100 miceller. Intressant nog verkar partikelstorlek (σ _TM / σ _LS = 1,83) oberoende av den resulterande lattice parametern.

Figur 3 visar också att topp positionerna är helt oberoende av LS partikelhalten i de undersökta intervallet 0,5 till 3,2 wt% (liknande resultat har hittats med TM partiklar från 0,8 till 2,4 vikt%). Detta kan tyda på att partikel-inducerad defekter motsvarar skapandet av TX-100 kristallina domäner, möjligen något lägre tensid koncentrationer, som samexisterar med de områden där en kolloidal suspension är närvarande. Det är tydligt att ytterligare experiment vid högre partikelhalterna kommer att behövas för att få en avgörande bild.

Sammanfattning

Beteendet hos TX-100 miceller i en flytande-kristallina delen av fasdiagram undersöktes med hjälp av SAXSess små vinklar röntgen spridning instrument.

Vi har visat att instrumentet möjliggör studier av den flytande-kristallina strukturen som funktion av temperaturen. Dessutom gör den stora q-utbud och den höga känsligheten på instrumentet den idealisk för att studera inverkan av tillägg av laddade kolloidala nanopartiklar. Här har vi särskilt fokuserat på gallret parameter i kristallina fasen som funktion av partikelkoncentration.

Källa: Anton Paar GmbH .

För mer information om denna källa besök Anton Paar GmbH .