[논문 리뷰] A Novel Algorithm for the Estimation of the Surfactant Surface Excess at Emulsion Interfaces

Germán Urbina-Villalba, Sabrina Di Scipio외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 06.

Surfactants and Colloidal Systems참고 문헌 38인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 실험적 계면 장력 및 제타 전위 데이터를 이론적 모델과 조율함으로써 에멀션 계면에서 계면활성제 표면 과잉 농도를 추정하는 새로운 알고리즘을 제시한다. 이는 매크로스코픽 흡착 Isotherm과 나노에멀션 방울 표면에 실제 존재하는 계면활성제 농도 간의 심각한 괴리 현상을 드러낸다. 이 방법을 통해 하이드로카본/물 나노에멀션에서 다양한 염 농도 조건에서 상호작용 잠재능량을 정확하게 계산할 수 있다.

ABSTRACT

When the theoretical values of the interfacial tension -resulting from the homogeneous distribution of ionic surfactant molecules amongst the interface of emulsion drops- are plotted against the total surfactant concentration, they produce a curve comparable to the Gibbs adsorption isotherm. However, the actual isotherm takes into account the solubility of the surfactant in the aqueous bulk phase. Hence, assuming that the total surfactant population is only distributed among the available oil/water interfaces, one can calculate what surface concentration is necessary to reproduce the experimental values of the interfacial tension. A similar procedure can be followed using the zeta potential of the drops as a standard for a given set of salt and surfactant concentrations. We applied these procedures to the case of hexadecane/water nanoemulsions at different salt concentrations. This information was used to compute typical interaction potentials between non-deformable nanoemulsion drops. The results indicate that there are significant differences between the surfactant population expected from macroscopic adsorption isotherms, and the actual surfactant popula- tion adsorbed to the surface of nanoemulsion drops.

연구 동기 및 목표

• 매크로스코픽 흡착 이소스터프와 나노에멀션 계면에서 실제 계면활성제 농도 간의 괴리 현상을 해결하기 위해.
• 실험적 계면 장력 및 제타 전위 측정치를 활용하여 표면 과잉 농도를 보다 정확하게 추정하는 계산 방법을 개발하기 위해.
• 염 농도가 하이드로카본/물 나노에멀션에서 계면활성제 분포 및 계면 거동에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 비변형 가능한 나노에멀션 시스템에서 입자 간 상호작용 잠재능량을 신뢰성 있게 예측할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 알고리즘은 총 계면활성제 농도에 대한 실험적 계면 장력 값의 그래프를 활용하여 관측된 장력을 재현하는 데 필요한 표면 과잉 농도를 유추한다.
• 계면활성제가 수용액 상에서의 용해도를 고려하기 위해, 장력 감소에 기여하는 것은 오직 계면에 존재하는 계면활성제만이라고 가정한다.
• 고정된 염 및 계면활성제 농도 조건에서의 제타 전위 측정치는 표면 과잉 농도 추정에 대한 두 번째 검증 기준으로 사용된다.
• 표면 과잉 농도를 계면 장력 데이터에서 유도하기 위해 수정된 형태의 지브스 흡착 방정식을 적용한다.
• 유도된 표면 과잉 농도 값은 비변형 가능한 나노에멀션 방울 간 효과적 상호작용 잠재능량을 계산하는 데 사용된다.
• 이 방법은 하이드로카본/물 나노에멀션에서 여러 염 농도 조건에서 검증된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노에멀션 방울 표면에서 실제 계면활성제 표면 과잉 농도는 매크로스코픽 흡착 이소스터프 기반 예측과 어떻게 다를까?
• RQ2 염 및 계면활성제 농도가 변화할 때 계면 장력과 제타 전위 측정치가 얼마나 공변하는가?
• RQ3 제타 전위 데이터는 에멀션에서 표면 과잉 농도를 추정하는 데 신뢰성 있게 사용될 수 있는가?
• RQ4 염 농도가 나노에멀션에서 계면활성제 분포 및 계면 거동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 표면 과잉 농도의 편차는 나노에멀션에서 입자 간 상호작용 모델링에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 알고리즘은 실험적 계면 장력 및 제타 전위 데이터를 이론적 표면 과잉 농도 추정치와 성공적으로 조율하였다.
• 매크로스코픽 흡착 이소스터프와 나노에멀션 계면에 실제로 흡착된 계면활성제 농도 사이에 심각한 괴리가 발견되었다.
• 계면 장력 및 제타 전위에서 유도된 표면 과잉 농도 값은 다양한 염 농도 조건에서 일관된 일치를 보였다.
• 비변형 가능한 나노에멀션 방울 간 계산된 상호작용 잠재능력은 수정된 표면 과잉 농도 값에 민감하게 반응하였다.
• 표면 과잉 농도 추정에서 계면활성제의 기질 상 용해도를 忽시할 경우 계면에 존재하는 계면활성제 수준이 체계적으로 과소평가됨을 드러냈다.
• 결과는 나노에멀션 시스템에서 표면 과잉 농도 추정을 정교화하기 위해 실험적 계면 성질을 활용할 필요성이 있음을 입증하였다.