[論文レビュー] Short-time Evolution of Alkane-in-Water Nanoemulsions

Germán Urbina-Villalba, Kareem Rahn-Chique|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2013

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies参考文献 25被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、エマルジョン安定性シミュレーション（ESS）を用いて、アルカン水系ナノエマルジョンの短期的安定性を調査し、凝集、凝集、オストワルド熟成という競合するプロセスに注目した。結果、初期のドロップサイズ分布は急速な凝集と凝集により右に歪んだ分布を示すが、時間の経過とともにオストワルド熟成が支配的になり、分布が左に歪んだ形にシフトし、立方平均半径の曲線が下に凸の形を取ることがわかった。ドデカンとヘキサデカンは力学的安定状態の系を形成するが、オクタンは熟成により著しく溶解し、安定した分布を形成しない。

ABSTRACT

The stability of alkane-in-water nanoemulsions during the sub-stationary regime is studied by means of Emulsion Stability Simulations (ESS). The effects of Ostwald ripening, flocculation, coalescence, gravity, and hydration forc- es are considered. According to these calculations flocculation and coalescence are predominant during the first few seconds after the preparation of the emulsion. This favors the generation of a right-skewed Drop Size Distribu- tion (DSD). As the system evolves, the drops grow larger and more repulsive causing a slow down of the flocculation process. In the case of dodecane (C12) and hexadecane (C16) the referred phenomena, reinforce the ripening trend to subvert the initial DSD variation, producing a meta-stable distribution which is preserved during several minutes. After this time, Ostwald ripening dominates: the skirt of the distribution changes progressively from right-skewed to left-skewed. Consistent with these changes, the cube average radius of the emulsion increases rapidly at first, but progressively diminishes generating a concave-downward curve that stabilizes asymptotically. In the case of dodecane and hexadecane the complete dissolution of the drops promoted by ripening is prevented at all times due to coalescence. In the case of octane (C8) a substantial amount of drops is lost by dissolution, forbidding the attain- ment of a stable DSD. In all cases the molecular exchange only favors a decrease of the average radius as a function of time. It is the elimination of drops either by dissolution or coalescence which causes an increase of the average radius of the emulsion.

研究の動機と目的

• サブステーショナリーモードにおけるアルカン水系ナノエマルジョンの短期的進化を理解すること。
• オストワルド熟成、凝集、凝集、重力、水和力の相対的な寄与を定量化し、エマルジョン安定性を決定する要因を特定すること。
• 初期のドロップサイズ分布の進化様式と、力学的安定状態または溶解する系を形成する要因を特定すること。
• 分子移動とドロップ消去が平均半径の傾向に与える影響を評価すること。

提案手法

• ナノエマルジョンの時間的進化をモデル化するためにエマルジョン安定性シミュレーション（ESS）を用いた。
• シミュレーションフレームワークには、オストワルド熟成、凝集、凝集、重力、水和力が組み込まれた。
• ドロップサイズ分布（DSD）を時間経過とともに追跡し、歪度と進化パターンを分析した。
• 平均ドロップサイズの変化をモニタリングするために立方平均半径を計算した。
• 凝集の有無に応じたシステムの比較を通じて、凝集が完全な溶解を防ぐ役割を果たすかを評価した。
• 鎖長の影響を比較するため、ドデカン（C12）、ヘキサデカン（C16）、オクタン（C8）のシミュレーションを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 凝集と凝集は、アルカン水系ナノエマルジョンの初期ドロップサイズ分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ドロップサイズ分布の時間的進化はどのようなものか？歪度は時間とともにどのように変化するか？
• RQ3 初期段階を過ぎた後、オストワルド熟成がどの程度システムを支配的にするか？分布の形状はどのように変化するか？
• RQ4 なぜドデカンとヘキサデカンは力学的安定状態の分布を形成するが、オクタンはそうならないのか？
• RQ5 分子移動とドロップ消去プロセスは、時間の経過とともに平均半径にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 最初の数秒間は、凝集と凝集が支配的であり、ドロップサイズ分布（DSD）は右に歪んだ分布を示す。
• ドロップが大きくなり、より反発的になると、凝集の速度が低下し、DSDの形状に転換が生じる。
• ドデカンとヘキサデカンでは、DSDが力学的安定状態の右に歪んだ分布に安定化し、数分間はその状態が続くが、その後熟成が支配的になる。
• この時期以降、オストワルド熟成によりDSDは右に歪んだ分布から左に歪んだ分布にシフトし、粗大化が進行していることが示された。
• 立方平均半径は初期に急激に増加するが、その後減少し、下に凸の曲線を描き、漸近的に安定化する。
• オクタン（C8）では、熟成のため著しいドロップ溶解が生じ、安定したDSDの形成が妨げられるが、C12とC16では凝集が完全な溶解を防いでいる。