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Water Dynamics In Soft Confinement - Neutron Scattering Investigations On Reverse Micelles

Spehr, Tinka Luise :
Water Dynamics In Soft Confinement - Neutron Scattering Investigations On Reverse Micelles.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Dissertation Dipl.-Phys. Tinka Spehr - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Water Dynamics In Soft Confinement - Neutron Scattering Investigations On Reverse Micelles
Language: English
Abstract:

In the present experimental study we investigate the dynamical behaviour of water in soft confinement. As a model system we choose the AOT (sodium bis[ethylhexyl] sulfosuccinate) based water-in-oil droplet microemulsion which we precharacterize in detail. Using small angle neutron scattering we determine the microemulsion structure as a function of composition. Spherical water droplets (reverse micelles) coated by a monomolecular layer of the surfactant are dispersed in the continuous oil matrix. By variation of the molar ratio of water to surfactant one may control the droplet size between a few Angström and several nanometers. We extend the phase diagram to temperatures far below the freezing point of bulk water to determine the range of structural stability of the droplets as a function of water loading. The supercooling of the confined water is investigated by means of elastic fixed window scans on neutron backscattering. The freezing point of the confined water as well as the lower stability temperature decrease with decreasing droplet size. Moreover we use neutron- spin-echo spectroscopy to measure droplet diffusion and form fluctuations, whereof we deduce the temperature dependency of the bending modulus of the surfactant shell. The influence of confinement on the water mobility is then studied using two systems with different droplet sizes. We access the water dynamics over three orders of magnitude from pico- to nanoseconds by the combination of neutron backscattering and time-of-flight spectroscopy. We analyze the data taking into account rotation and jump diffusion. We find the water diffusion inside the droplets on average to be considerably slowed down with respect to bulk water. The translational mobility further decreases with decreasing droplet size. We extract values for rotational and translational diffusion coefficients. Dependent on water loading, two dynamically separated water fractions inside the droplets are resolved, one probably corresponding to surfactant bound water and the other one corresponding to less hindered water in the middle of the droplet core. We determine the absolute number of tightly bound water molecules per AOT molecule.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der vorliegenden experimentellen Studie untersuchen wir das dynamische Verhalten von Wasser in weicher eingeschränkter Geometrie. Die Eigenschaften von geometrisch eingeschlossenem Wasser sind außer für das grundsätzliche Verständnis auch in Bereichen der biologischen, pharmazeutischen oder chemischen Anwendung von Bedeutung. Als Modellsystem wählen wir eine auf dem anionischen Tensid AOT (sodium bis[ethylhexyl] sulfosuccinate) basierte Wasser-in-Öl Mikroemulsion in der Tröpfchenphase, die wir ausführlich vorher charakterisieren. Anhand von Neutronenkleinwinkelstreuung bestimmen wir die Struktur in Abhängigkeit von Konzentration der Komponenten. Sphärische Wasserkerne sind umschlossen von einer monomolekularen Schicht des Tensids; diese sogenannten Wasser-geschwollenen inversen Mizellen sind in einer kontinuierlichen Ölmatrix dispergiert. Wir bestätigen, dass der Radius des Wasserkerns durch geeignete Wahl der Zusammensetzung kontrolliert zwischen wenigen Ängström und einigen Nanometer variiert werden kann. Wir weiten das Phasendiagramm bis zu Temperaturen weit unterhalb des Gefrierpunktes von freiem Wasser aus und bestimmen den Stabilitätsbereich der Tröpfchenphase ihrer Größe. Die Unterkühlbarkeit der Wasserkerne wird anhand von elastischen Temperatur-Scans mit Neutronenrückstreuspektrometrie untersucht. Sowohl der Gefrierpunkt des eingesperrten Wassers, als auch die untere Stabiltätstemperatur der Tröpfchen liegen umso tiefer, je kleiner die Tröpfchen bei Raumtemperatur sind. Weiterhin nutzen wir Neutronen-Spin-Echo Spektroskopie, um die Diffusion der gesamten Tröpfchen und deren Schalenfluktuation zu messen, und daraus die Temperaturabhängigkeit des Biegemoduls der Tensid- membran zu bestimmen. Den Einfluß der Einschränkung auf die Mobilität des Wassers testen wir anhand von zwei Systemen mit Tröpfchen unterschiedlicher Größe. Die Kombination von Neutronenrückstreu- und Flugzeitspektroskopie lässt uns die Wasserdynamik über drei Größenordnungen von Piko - bis Nanosekunden verfolgen. Die simultane Analyse der kombinierten Daten mit einem Rotations-Sprungdiffusions-Modell zeigt, dass die Wassertranslation innerhalb aller Mizellen im Mittel stark verlangsamt ist und mit kleiner werdendem Radius der Mizellen abnimmt. Wir bestimmen Rotations- und Translations-Diffusionskonstanten des Wassers. In Abhängigkeit der Tröpfchengröße sind zwei dynamisch separierbare Wasserfraktionen auflösbar, wobei die langsamere ver- mutlich Tensid-gebundenem Wasser entspricht.German
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Condensed matter physics
Date Deposited: 15 Feb 2010 09:31
Last Modified: 07 Dec 2012 11:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-20403
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Stühn, Prof. Dr. Bernd and Vogel, Prof. Dr. Michael
Refereed: 25 January 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2040
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