Molecular emulsions studied by radiation scattering and computer simulations


Short summary of the TéT - Balaton project (2018-2019):

Heterogén folyadékelegyek szerkezetének vizsgálata kisszögű szórás kísérletek és számítógépes szimulációk segítségével

Vizes oldatok szerkezeti sajátosságait tanulmányoztuk diffrakciós és elméleti, számítógépes szimulációs módszerekkel. Kisszögű neutron és röntgenszórással vizsgáltuk rövid szénláncú, nitrogénatomot tartalmazó molekulák vizes oldatait, és összehasonlítottuk ezek viselkedését a rövid szénláncú alkoholok (propanol, butanol) vizes oldataival. Jelentős eltérés figyelhető meg e két vizes rendszer között, a nanométer skálán megfigyelhető rendeződés fajtájában. Az alkoholos oldatoknál a folyadékszerkezetet általában meghatározó hidrogénkötések gyengének leírható aggregációhoz vezetnek, szemléletesen, az alkohol molekulák a véletlenszerű elrendezéshez képest nagyobb arányban kapcsolódnak egymáshoz, míg a vízzel való kontaktusok száma kisebb. Az ilyen viselkedés régóta ismert, és a molekulák hidrofil – hidrofób részeinek arányától függ. Az így kialakuló folyadékszerkezet heterogén, és hagyományosan jól leírható statisztikus koncentráció fluktuációkkal. Ezek az oldatok a diffrakciós mérésekben erős előre-szórást mutatnak, aminek maximuma a nulla szögben van. Az alkoholhoz nagyon hasonló n-propilamin, aminek fejcsoportja C-OH helyett N-H2 atomcsoportot tartalmaz, szintén részben hidrofób, részben hidrofil. Vizes közegben azonban a propilamin molekulák a propanoltól teljesen eltérő térbeli szerkezetet képeznek, aminek a legjellegzetesebb, jól megfogható ismertetőjele a nullánál nagyobb szögben látható intenzitás maximum. Ennek a leírására az egyszerű koncentráció fluktuáció modell nem alkalmas, itt a maximum helyének megfeleltethető egy kitüntetett távolság a valós térben, 1-2 nanométer, ami lényegesen nagyobb a molekulák méreténél. Ez a nemrégiben felfedezett kvázi periodikus rendeződés típus eddig nem volt leírva a szakirodalomban, ezt vizsgáltuk neutron és röntgen kisszögű szórással, valamint molekuladinamika szimulációkkal, és az ezekből kapott atomi elrendeződések elemzésével.

A két év folyamán végzett kutatómunka legnagyobb részét a kisszögű neutron és röntgenszórás kísérletek, és a számátógépes szimulációk alkották. A neutronos méréseket a budapesti neutronközponban, a röntgendiffrakciós méréseket a Grazi Műszaki Egyetem berendezésén, valamint a kínai Mianyangi egyetem hasonló színvonalú berendezésén végeztük. A szimulációk a francia partnerek által a Sorbonne egyetemen történtek.

A szóráskísérletekben egy széles koncentráció tartományban a szerkezeti faktor két maximumot mutat, a víz struktúr faktor szokásos csúcsát, valamint kis szögeknél egy második csúcsot, aminek helyzete az amin koncentráció növelésével a nagyobb szögek irányába mozdul el. A molekuladinamikai szimulációkból kapott szerkezetfüggvény egyezett a mérési adatokkal, azt mutatva hogy a szokásos potenciálokkal, és hosszú szimulációkkal jól reprodukálja a valódi folyadékszerkezetet. A parciális struktúrfaktorokon is látható ez a maximum, a hosszútávú rendezettség jeleként. A számolt párkorrelációs függvények elemzése azt mutatja, hogy a vízmolekula és a nitrogén atom közti hidrogénkötés, jóval erősebb, mint a propilaminhoz hasonló egyenes szénláncú alkoholok vízzel való kötése. Emiatt, mint az a 3d szimulációs dobozokon is megfigyelhető, az amino csoportok együttese mintegy határfelületet képez a vízmolekulák és az alkil csoportok alkotta tartományok között. Az oldat szerkezete így nano-emulzió, vagy molekuláris emulzió lesz, és a víz domének és az alkil domének elrendezése hasonlóságot mutat a kristályos anyagokban fellépő töltés rendezettséggel. Ezekből a vizsgálatokból írt PCCP 2019 cikkünk elsőként mutatja be mind elméleti, mind kísérleti oldalról ezt a fajta rendezettséget vizes oldatokban, folyadék fázisban.

A projekt során vizsgált másik rendszer család a közepesen hosszú szénláncú, két OH csoportot tartalmazó diolok vizes oldatai voltak. Korábbi, irodami kísérleti adatokat újraértelmezve, és újabb, célzott mérésekkel és szimulációkkal alátámasztva ezen rendszerek némelyikében szintén megtaláltuk ezt a jellegzetes rendezettséget. Ezek az eredmények egy teljességgel új, ismeretlen jelenséget mutattak meg, úgy gondoljuk, hogy ennek megértése előrelépést fog jelenteni a folyadék fázis, valamint az oldatok fizikájának megismerésében.