Luận án tiến sĩ vật lý nghiên cứu ảnh hưởng của các chất hòa tan lên cấu trúc phân tử bề mặt phân cách chất lỏng không khí bằng quang phổ học dao động tần số tổng

Luận án tiến sĩ vật lý khám phá ảnh hưởng của chất hòa tan lên cấu trúc phân tử tại bề mặt phân cách chất lỏng - không khí qua quang phổ dao động tần số tổng.

• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng chất hòa tan lên cấu trúc phân tử bề mặt chất lỏng bằng quang phổ dao động

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẶT PHÂN CÁCH CHẤT LỎNG - KHÔNG KHÍ VÀ KỸ THUẬT QUANG PHỔ HỌC DAO ĐỘNG TẦN SỐ TỔNG
• 1.1. Mặt phân cách chất lỏng - không khí
• 1.1.1. Vai trò của mặt phân cách chất lỏng - không khí
• 1.1.2. Đơn lớp Langmuir và ứng dụng
• 1.1.3. Động lực học bề mặt phân cách chất lỏng — không khí
• 1.1.4. Sự chuyển pha của đơn lớp Langmuir
• 1.1.5. Phương pháp tạo mẫu đơn lớp Langmuir
• 1.2. Các phương pháp nghiên cứu mặt phân cách chất lỏng — không khí
• 1.2.1. Phương pháp kính hiển vi góc Brewster
• 1.2.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 1.2.3. Quang phổ hấp thụ - phản xạ hồng ngoại
• 1.3. Quang phổ học dao động tần số tổng (SFG-VS)
• 1.3.1. Cơ sở lý thuyết về hiệu ứng phát tần số tổng
• 1.3.2. Các kết quả nghiên cứu mặt phân cách chất lỏng - không khí bằng phương pháp SFG-VS gần đây
• 1.4. Kết luận Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Quang phổ kế tần số tổng
• 2.1.1. Giới thiệu về quang phổ kế tần số tổng tại phòng thí nghiệm
• 2.1.2. Sơ đồ hình học SFG thực nghiệm
• 2.1.3. Thiết lập thực nghiệm và nguyên lý hoạt động của hệ đo EKSPLA-SF41
• 2.2. Tạo mẫu màng đơn lớp Langmuir trên bề mặt dung dịch
• 2.2.1. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm
• 2.2.2. Quy trình tạo mẫu màng đơn lớp Langmuir trên bề mặt chất lỏng
• 2.3. Xác định đường cong đẳng nhiệt π - A bằng phương pháp bản phẳng Wilhelmy
• 2.3.1. Phương pháp bản phẳng Wilhelmy
• 2.3.2. Các bước tiến hành thí nghiệm xác định áp suất bề mặt của đơn lớp Langmuir
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU SỰ CHUYỂN PHA CỦA ĐƠN LỚP AXÍT ARACHIDIC TRÊN BỀ MẶT NƯỚC
• 3.1. Nghiên cứu sự chuyển pha của đơn lớp axit arachidic trên bề mặt nước
• 3.1.1. Đường đẳng nhiệt π - A
• 3.1.2. Nghiên cứu sự chuyển pha của đơn lớp Langmuir AA bằng phương pháp quang phổ học dao động tần số tổng
• 3.2. Cấu trúc phân tử của đơn lớp axit arachidic tại mặt phân cách nước - không khí
• 3.2.1. Cấu trúc bề mặt phân cách nước - không khí
• 3.2.2. Mặt phân cách đơn lớp Langmuir axit arachidic — nước nguyên chất
• 4. CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC CHẤT HÒA TAN LÊN CẤU TRÚC ĐƠN LỚP AXIT ARACHIDIC TẠI MẶT PHÂN CÁCH NƯỚC - KHÔNG KHÍ
• 4.1. Ảnh hưởng của pH
• 4.2. Ảnh hưởng của các anion halogen
• 4.2.1. Ảnh hưởng của các anion I-, Cl-
• 4.2.2. Ảnh hưởng của anion F-
• 4.3. Ảnh hưởng của các cation kim loại kiềm Na+ và K+
• 4.4. Ảnh hưởng của các cation kim loại La3+ và Fe3+
• 4.4.1. Chuẩn bị mẫu đơn lớp AA trên các dung dịch LaCl3 và FeCl3
• 4.4.2. Ảnh hưởng của ion La3+ và Fe3+
• KẾT LUẬN
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu ảnh hưởng của chất hòa tan lên cấu trúc phân tử bề mặt của chất lỏng là một lĩnh vực quan trọng trong hóa học vật liệu. Việc hiểu rõ cách mà các chất hòa tan tương tác với bề mặt chất lỏng có thể giúp cải thiện nhiều ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu. Quá trình này thường được thực hiện thông qua quang phổ dao động, một phương pháp mạnh mẽ cho phép phân tích cấu trúc phân tử một cách chi tiết. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cấu trúc phân tử bề mặt mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong lĩnh vực hóa học và vật liệu.

II. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp quang phổ dao động được sử dụng để phân tích cấu trúc phân tử của chất lỏng trong sự hiện diện của chất hòa tan. Kỹ thuật này cho phép xác định các đặc tính của phân tử bề mặt và cách mà chúng thay đổi khi có sự tham gia của chất hòa tan. Các mẫu được chuẩn bị cẩn thận và phân tích bằng quang phổ hồng ngoại để thu thập dữ liệu về dao động phân tử. Kết quả cho thấy sự thay đổi trong cấu trúc phân tử bề mặt có thể dẫn đến những thay đổi đáng kể trong tính chất vật lý của chất lỏng. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu hóa học bề mặt trong các ứng dụng thực tiễn.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả từ nghiên cứu cho thấy rằng chất hòa tan có thể làm thay đổi đáng kể cấu trúc phân tử bề mặt của chất lỏng. Sự hiện diện của chất hòa tan không chỉ ảnh hưởng đến phân tử bề mặt mà còn có thể thay đổi các tính chất như độ nhớt và khả năng hòa tan. Các phân tích cho thấy rằng hóa học bề mặt có thể được điều chỉnh thông qua việc lựa chọn chất hòa tan phù hợp. Điều này mở ra nhiều khả năng cho việc phát triển các sản phẩm mới trong ngành công nghiệp hóa chất và vật liệu. Như một ví dụ, việc tối ưu hóa cấu trúc phân tử bề mặt có thể dẫn đến sự cải thiện trong hiệu suất của các chất tẩy rửa hoặc chất xúc tác.

IV. Kết luận

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc hiểu rõ ảnh hưởng của chất hòa tan lên cấu trúc phân tử bề mặt của chất lỏng là rất quan trọng. Các kết quả thu được từ quang phổ dao động không chỉ có giá trị trong lý thuyết mà còn có thể được áp dụng trong thực tiễn. Việc điều chỉnh cấu trúc phân tử bề mặt thông qua chất hòa tan có thể mang lại những cải tiến đáng kể trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp hóa chất đến công nghệ nano. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo và ứng dụng trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các sô liệu và kêt quả trong luận án này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bô trong bât cứ luận án nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Thị Huệ MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮTT. 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VỀ, ĐỎ THỊ .- << 55c 5s =seseseeeses+ 6 MO DAU.

TONG QUAN VE MAT PHAN CACH CHAT LỎNG - KHONG KHI VA KY THUAT QUANG PHO HOC DAO DONG TAN SO TONG. Mặt phân cách chất lỏng - không khí. << «se se ss=sssssseseses 17 1. Vai trò của mặt phân cách chất lỏng - không khí.

Don lop Langmuir va Ung ỤnØ. Động lực học bê mặt phân cách chât lỏng — không khí. Sự chuyên pha của đơn lop Langmuir. Phương pháp tạo mẫu đơn lớp Lanỹmui.

Các phương pháp nghiên cứu mặt phân cách chất lỏng — không khí. Phương pháp kính hiễn vi góc BrewS€T. Phương pháp nhiễu xạ tia XX.- --- - - E1 E3 13K vn cv cv, 30 1. Quang phố hấp thụ - phản xạ hông ngOạii.

Quang phố học dao động tân số tổng (SFG-VS). Cơ sở lý thuyết về hiệu ứng phát tần số tng. Các kết quả nghiên cứu mặt phân cách chất lỏng - không khí băng phương pháp SFG-VS gân đây.----- ¿+ kkk 1v 11T TT TT TT HT TT TT ri 47 1. Kết luận €hương l.

PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM.5- 5-5 «<< ss se se 58 2. Quang phố kế tần số tỐngg. Giới thiệu về quang phô kế tân số tổng tại phòng thí nghiệm. Sơ đồ hình học SFG thurc nghiém.

Thiết lập thực nghiệm và nguyên lý hoạt động của hệ đo EKSPLA-SF41. Tạo mẫu màng đơn lớp Langmuir trên bê mặt dung dịch. Hóa chất và dụng cụ thí nghiỆm. Quy trình tạo mẫu màng đơn lớp Langmuir trên bê mặt chất lỏng.

Xác định đường cong đắng nhiệt a - A bằng phương pháp bản phắng M122 ÔÔỒÔỒÔỎ 70 2. Phương pháp bản phăng Wilhelmyy. Các bước tiến hành thí nghiệm xác định áp suât bê mặt của đơn lớp Langmuir L1 1111111111 1111111111 11111 E1 1 1n TT 000 00 n0 cọ gọn 72 2. NGHIEN CUU SU CHUYEN PHA CUA ĐƠN LỚP AXÍT ARACHIDIC TREN BE MAT NUOC.

<5 5 5 S2 S2 se se se SsSs se se 75 3. Nghiên cứu sự chuyển pha của đơn lớp axit arachidic trên bề mặt nước HT41Ạ (0: Ế0 7170 Đ}). Đường đắng nhiỆ 74 — A.- - - =1 E8 E8 98 E119 11v cuc ng re: 75 3. Nghiên cứu sự chuyên pha của đơn lớp Langmuir AA bằng phương pháp quang phố học dao động tân số tÔng.-- -- ¿6 St E8 EE9ESEEEEEE+EEEEEESEEEEeEskrkrrereea 79 3.

Câu trúc phân tử của đơn lớp axit arachidic tại mặt phân cách nước - không kKkhÍ. Câu trúc bê mặt phân cách nước - không Khf. Mặt phân cách đơn lo6p Langmuir axit arachidic — nudc nguyên chất. ANH HUONG CUA CAC CHAT HOA TAN LEN CAU TRUC DON LOP AXIT ARACHIDIC TAI MAT PHAN CACH NUOC - KHONG $9; Bố.

Ánh hưởng của pH. Ánh hưởng của các anion haÌ0ØeI. 5-5 < << se «se sesessssssese 104 4.1 Ảnh hưởng của các anion ÍT „ CÍT. xxx EvE£E*E‡k tk EvEeEekekrkekrererei 104 4.2 Ảnh hưởng của anion E”.--¿-c-s s sESE 3S SE vctcưTT nnhntrưrryi 110 4.

Ánh hưởng của các cation kim loại kiềm Na” và KT. Ánh hưởng của các cation kim loại La” và Fe T. Chuẩn bị mẫu đơn lớp AA trên các dung dịch LaC]¿ và FeC]:. Ảnh hưởng của ion La” và Fe ”.

- c- tt S1 11111111 1 SE rrư, 120 9 {( 8 r 00. 129 DANH MUC CONG TRINH KHOA HOC CUA TAC GIA LIEN QUAN DEN 00. 132 DANH MUC CAC KY HIEU VA CHU VIET TAT Chữ viết Từ được viết tắt Tiếng Việt tắt AA Arachidic Acid Axit arachidic BuOH 1-Butanol Pha C Collapsed phase Pha sụp đô đơn lớp DFG Difference frequency Generation Phat tan s6 hiéu DPPC Dipalmitoy! phosphatidyl choline GIXD Grazing incidence X-ray Nhiễu xạ tia X góc là diffraction HSA Human serum albumin Albumin huyết thanh người IR Infrared Hồng ngoại LB Langmuir Blodgett LE Liquid - expand Long - mo rong LC Liquid - condensed Long xép chat M mol/L mM mmol/L PM- Polarization modulation - Infrared | Quang ph6 hap thu - phan xa IRRAS reflection - absorption hong ngoai - diéu bién phan spectroscopy cuc SE Sum-Frequency Tân số tông SFG Sum-Frequency Generation Su phat tần số tong SFG-VS Sum-Frequency Generation Quang phố dao động tân sô Vibrational Spectroscopy tong SHG Second Harmonics Generation Su phat hoa ba bac hai S/N signal/noise Ty số tín hiệu/nhiễu TC Tilted Condensed Xếp chặt nghiêng UC Untilted Condensed Xép chat khong nghiéng VIS Visible Kha kién WOS Wagner - Onsager - Samaras DANH MUC CAC BANG Bảng 1. Các mode IR str dung dé phân tích phô IRR.

Một sô mode dao động đặc trưng của phân tử tại mặt phân cách alcohol CaH;„„¡OH (n = 1 - 8) — không khí (đơn Vi €im `). Một sô mode dao động đặc trưng của đơn lớp Langmuir axit palmitic va nước mặt phân cách. - - --- + - «<< 138 111111%111111111113 111111111 111111 vn vu 54 Bang 2. Các bước sóng sử dụng đôi với ông nhân quang điện PMTI1 và PMT2.

Các thông sô của các hóa chất đã được sử dụng trong luận án. Dụng cụ thí nghiệm đã được sử dụng trong luận án. Giá trị áp suât bê mặt (7) của đơn lớp Langmuir AA/nước. Su gan dinh pho SFG của đơn lớp Langmuir AA trên bề mặt nước nguyên chất trong các pha khác nhau.

- - E2 Ek+E*E+k£E£E££š££EvEeEeEeEereere 8 | Bảng 3. Giá trị tỷ số cường độ SFG lạ _/Id„ _ của đơn lớp AA/nước. Su gan đỉnh pho SFG cua don lớp Langmuir AA/nước nguyên chất trong cdc cau hinh phan cuc SSP, SPS va PPP. Tỷ sô cường độ SF lạ /Iqy,.

tt don lép 1-BuOH trén dung dich Nal VA NACL. 107 DANH MUC CAC HINH VE, DO THI Hình 1. Don lop Langmuir tai mat phan cach nước — không khí. Mô hình lực tác dụng của các phân tử năm trong khôi và trên bê mặt chât 0 ằ ằ acc.

Mô hình biểu diễn áp suất bề mặt của đơn lớp phát sinh từ hành động “đầy” lẫn nhau của các phân tử liên kê thuộc đơn lớp, hành động này chông lại hành động “kéo” của sức căng bê mặt của chât lỏng ngay bên dưới đơn lớp. Đường cong đăng nhiệt áp suất - diện tích bê mặt/phân tử (7ø - A). Mô hình tạo mẫu đơn lớp Langmuir.- - + + + £+k£x£+E+E£zEexee£eezxd 27 Hình 1. Sơ đô thiết lập kính hiên vi góc BrewSfer.-- + - sex ceceeexea 28 Hình 1.

Ảnh chụp BAM của đơn lớp HSA trong pha xếp chặt (a) và đơn lớp hỗn hop HSA - DPPC tỷ lệ khối lượng XDPPC = 0,5 (b).- 5-52 2+2 zE+EzEzxzerered 29 Hinh 1. Hinh anh don lop axit arachidic sau khi bi sup đồ trên bề mặt nước (a) và trên bê mặt dung dịch CaC]¿ (). Các cation Fe” và La” liên kết với nhóm chức của đơn lớp AA. Sơ đô của quá trình SFG từ một bê mặt phân cách.

Sơ đô chuyền dời các mức năng lượng của bức xạ tân sô tông. Sơ đỗ miêu tả SFG từ một hệ thông mặt phân cách giữa môi trường tuyên tính (I) và môi trường phi tuyên (IT). Sơ đồ bồ trí phép đo SFG bê mặt đơn lớp/nước, œv¡s là tần số chùm khả kiến cô định, @„z là tần số chùm hông ngoại có bước sóng điều chỉnh duoc, @sre là tân số tín hiệu tân sỐ tỐng. -- - s33 11118 về 11v TT ng ra 43 Hình 1.

Phé SFG (a) va so d6 minh họa cau trac phân tử (b) của mặt phân cách hỗn hop methanol + nước — không khí.-- + ¿2+ £E£EE+E£EzE£+E£z£zE£zEzze: 48 Hình 1. Các phô SFG từ mặt phân cách: nước — OTS - thạch anh (a); nước — không khí (b); Hexane — nước (c); nước băng — thạch anh (d). Xu hướng bê mặt của các anion halogen tại mặt phân cách nước - 410150 075. Cac phô SFG cua đơn lớp AA trên bê mặt dung dịch FeC]: ImM (a) va dung dich LaCl3 1mM (Ð).

Sơ đồ khối hệ đo tín hiệu tần số tổng. Sơ đô hình học sự phát tân sô tổng thực nghiệm. Duong dan chim tia SFG từ mẫu đên máy đơn sắc. Sơ đô quang học hệ đo EKSPLA-SÏF4l.

Sơ đô khối của giá đỡ mẫu phân tích.--- - -s s +x+s£eE+E+k£eEeEsxzezee: 62 Hình 2. Công thức câu tạo và mô hình phân tử của axít Arachidic. Quy trình tạo mẫu mang đơn lớp AA trên bê mặt chất lỏng. Minh họa thí nghiệm sức căng bê mặt băng phương pháp Wilhelmy.

Đường đăng nhiệt 7 - A cua đơn lớp Langmuir AA trên bê mặt nước. Xu hướng chuyền pha của đơn lớp AA khi .---- 5s sx+s+s£e£eezezee: 78 Hình 3. Các phô SFG từ các mẫu màng đơn lớp Langmuir AA/nước nguyên chất khi diện tích bề mặt/phân tử giảm từ 40,8 đến 17 Ä”/phân tử. Biéu dién ty SỐ cường độ các mode CHzss và mode CHass theo tích bề 001792170100 200000757.

Đường đăng nhiệt (a) và các phô SFG cấu hình phân cực SSP và SPS của đơn lớp axIt Penfad€CanOIC. Pho SFG từ mặt phân cách nước nguyên chất — không khí. Phô hấp thụ hông ngoại của nước lỏng và băng (a) và so sánh phố hấp thụ IR voi pho tan xa Raman của nước ở 298 K (Ð). --¿-cscsEEk St cereeekea S7 Hình 3.

Sự liên kết của các phân tử nước:a) trong khôi nước lỏng; b) dang tinh thé băng — cầu trúc lỤC ØiáC.-- -¿- -- + k kxS E3 EE 13v 1T TT TT TT HT nh 88 Hình 3. Phố SFG (SSP) cua don lớp Langmuir AA/nước nguyên chất. Phô SFG của đơn lớp AA /nước nguyên chất vớicách kết hợp phân cực của 3 tia SF, VIS và IR theo câu hình phân cuc SSP; SPS và PPP. Phé SFG cua don lép Langmuir AA trên bê mặt nước (pH = 2 - 12) với số sóng từ 2800 cm - 3600 CImi.

SE E311 SE SE 33T 1 Ty 95 Hình 4. Phố SFG (SSP) của đơn lớp Langmuir AA trên bề mặt nước có pH < 7 với sô sóng từ 2800 cm Ì - 3600 CImi `. ¿St E828 EEEEEEEEEEEeEeE+EEEEEEeEerrrekrerered 96 Hình 4. Phố SFG (SSP) của đơn lớp Langmuir AA trên bê mặt nước có pH < 7 với số sóng từ 1300 cm” - 1900 CImI .- ¿+ + SE ‡E£E#E+EEESE SE 97 Hình 4.

Mô phỏng sự định hướng cua các phân tử nước bên dưới đơn lớp AA trong truOng hop PH < 7 oe. Phé SFG cua don lép Langmuir AA trên bê mặt nước có pH > 7. Pho SFG (SSP) của đơn lớp Langmuir AA/nước có pH > 7 với số sóng từ 000585005. Mô phỏng sự định hướng của các phân tử nước bên dưới đơn lớp 0D.

Phố SFG của đơn lớp Langmuir trên nuéc cé pH =11 va 12, dai hong ngoại từ 2800 cm - 360CIm”.