[논문 리뷰] Short-time Evolution of Alkane-in-Water Nanoemulsions

Germán Urbina-Villalba, Kareem Rahn-Chique|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 06.

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies참고 문헌 25인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 에멀션 안정성 시뮬레이션(ESS)을 사용하여 알케인-물 나노에멀션의 단기 안정성을 조사하며, 응집, 융합, 오스탈트 리핑과 같은 경쟁적 과정을 중심으로 다룬다. 결과적으로 초기에 입자 크기 분포는 급속한 응집과 융합으로 인해 오른쪽으로 치우친 분포를 보이며, 시간이 지남에 따라 오스탈트 리핑이 지배적이 되어 왼쪽으로 치우친 분포로의 전환과 입자 크기의 세제곱 평균 반경 곡선이 아래로 볼록한 형태로 변화한다. 디오세탄과 헥사데칸은 준안정계를 형성하지만, 올레산은 리핑으로 인해 상당히 용해되어 안정계가 형성되지 않는다.

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.

연구 동기 및 목표

• 서브정적 상태에서 알케인-물 나노에멀션의 단기적 진화를 이해하기 위해.
• 오스탈트 리핑, 응집, 융합, 중력, 수화력이 에멀션 안정성에 미치는 상대적 기여를 정량화하기 위해.
• 초기 입자 크기 분포의 변화 양상과 준안정계 또는 용해되는 시스템을 형성하는 요인을 규명하기 위해.
• 분자 교환과 입자 제거 과정이 평균 반경 변화 추세에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 에멀션 안정성 시뮬레이션(ESS)을 사용하여 나노에멀션의 시간에 따른 진화를 모델링하였다.
• 시뮬레이션 프레임워크는 오스탈트 리핑, 응집, 융합, 중력, 수화력을 포함하였다.
• 입자 크기 분포(DSD)를 시간에 따라 추적하여 왜도와 변화 패턴을 분석하였다.
• 평균 입자 크기의 변화를 모니터링하기 위해 세제곱 평균 반경을 계산하였다.
• 융합 유무에 따라 시스템을 구분하여 융합의 역할이 완전한 용해를 방지하는지 평가하기 위해 모델링하였다.
• 사슬 길이 영향을 비교하기 위해 도데칸(C12), 헥사데칸(C16), 올레산(C8)에 대해 시뮬레이션을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 응집과 융합은 알케인-물 나노에멀션의 초기 입자 크기 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 입자 크기 분포의 시간적 진화는 어떻게 진행되며, 왜도는 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 초기 단계 이후 오스탈트 리핑이 시스템을 얼마나 지배하게 되며, 분포 형태에는 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 도데칸과 헥사데칸은 준안정계를 형성하는 반면 올레산은 그렇지 않은가?
• RQ5 분자 교환과 입자 제거 과정은 평균 반경 변화에 시간에 따라 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 초기 수초 내로 응집과 융합이 지배적이 되어 오른쪽으로 기울어진 입자 크기 분포(DSD)가 형성된다.
• 입자가 커지고 상호작용이 더 반발적으로 변하면서 응집 속도가 감소하여 DSD 형태에 전이가 발생한다.
• 도데칸과 헥사데칸의 경우 DSD는 몇 분간 준안정적이고 오른쪽으로 기울어진 분포를 유지한 후 리핑이 지배적으로 되어 전환된다.
• 이 기간 이후 오스탈트 리핑으로 인해 DSD는 오른쪽 기울기에서 왼쪽 기울기로 변화하여 고립화가 진행됨을 나타낸다.
• 세제곱 평균 반경은 초기에 급격히 증가하지만 이후 감소하여 아래로 볼록한 곡선을 형성하고 점차 안정화된다.
• 올레산(C8)의 경우 리핑으로 인해 입자가 상당히 용해되어 안정적인 DSD 형성이 불가능하지만, C12와 C16에서는 융합이 완전한 용해를 방지한다.