Önszerveződés két- és háromkomponensű folyadékelegyekben
2021-1.2.4-TÉT-2021-00063
Principal investigator: László Almásy
Description in English:
Small-angle neutron and X-ray scattering provide insights into the structure of materials at nanometre scale. This range includes the self-assembly of molecules in liquids and liquid mixtures, leading to ordered structures over the long term. An example is the aqueous solution of surfactant molecules, which can organise into different micellar and liquid crystalline phases depending on temperature and composition. Less known and studied are aqueous and non-aqueous solutions of small organic molecules. In these solutions, unlike the traditional micellar solutions, which are spherical or ellipsoidal or cylindrical, a different type of ordering occurs, in which aggregates smaller than the micelle but larger than the molecule are formed.
X-ray and neutron scattering are the most suitable, structure-sensitive experimental methods to study such solutions. Equally powerful is the use of computer modelling, such as molecular dynamics simulations, to study the spatial arrangement and dynamics of thousands of molecules based on known or assumed intermolecular interactions. During the project, these methods were used to try to describe and understand some interesting periodic orderings in aqueous solutions.
Description in Hungarian:
A kisszögű neutron- és röntgenszórás betekintést nyújt az anyagok szerkezetének nanométer nagyságrendű mérettartományába. Ebbe a tartományba esik a folyadékok és folyadékelegyek molekuláinak önszerveződése, ami hosszútávon rendezett szerkezetet eredményez. Ilyen például a felületaktív anyagok molekuláinak vizes oldata, amik hőmérséklettől és összetételtől függően különféle micellás és folyadékkristályos fázisba rendeződhetnek. Kevésbé ismert és tanulmányozott terület a kis szerves molekulák vizes és nem vizes oldatai. Ezekben az oldatokban a hagyományos, gömb vagy ellipszoid vagy henger alakú micelláris oldatoktól eltérően, más jellegű rendeződés jelenik meg, amiben a micellánál kisebb, de a molekulánál nagyobb aggregátumok képződnek. Ilyen oldatok vizsgálatára a röntgen és neutronszórás képezik a legalkalmasabb, szerkezetre érzékeny kísérleti módszert. Hasonlóan erős módszer a számítógépes modellezés, például molekuladinamikai szimuláció, amiben az ismert, vagy feltételezett intermolekuláris kölcsönhatásokból kiindulva molekulák ezreinek az térbeli elrendeződése és dinamikája vizsgálható. A projekt során ezekkel a módszerekkel kíséreltük meg néhány érdekes vizes oldatban fellépő periodikus rendeződés leírását és megismerését.
Önszerveződés két- és háromkomponensű folyadékelegyekben
A kisszögű neutron és röntgenszórás betekintést nyújt az anyagok szerkezetének nanométer nagyságrendű mérettartományába. Ebbe a tartományba esik a folyadékok és folyadékelegyek molekuláinak önszerveződése, ami hosszútávon rendezett szerkezetet eredményez. Ilyen például a felületaktív anyagok molekuláinak vizes oldata, amik hőmérséklettől és összetételtől függően különféle micellás és folyadékkristályos fázisba rendeződhetnek. Kevésbé ismert és tanulmányozott terület a kis szerves molekulák vizes és nem vizes oldatai. Ezekben az oldatokban a hagyományos, gömb vagy ellipszoid vagy henger alakú micelláris oldatoktól eltérően, más jellegű rendeződés jelenik meg, amiben a micellánál kisebb, de a molekulánál nagyobb aggregátumok képződnek.
Ilyen oldatok vizsgálatára a röntgen és neutronszórás képezik a legalkalmasabb, szerkezetre érzékeny kísérleti módszert. Hasonlóan erős módszer a számítógépes modellezés, például molekuladinamikai szimuláció, amiben az ismert, vagy feltételezett intermolekuláris kölcsönhatásokból kiindulva molekulák ezreinek az térbeli elrendeződése és dinamikája vizsgálható. A projekt során ezekkel a módszerekkel kíséreltük meg néhány érdekes vizes oldatban fellépő periodikus rendeződés leírását és megismerését.
A víz – propil-amin és butil-amin rendszereken kisszögű röntgen és neutronszórás kísérleteket végeztünk. Az amin molekulákon a metilcsoport helyzetének függvényében eltérő mértékű rendezettség figyelhető meg. Ez a rendezettség egy kvázi-periodikus rétegszerkezettel írható le, aminek a fenomenológiai modellje a mikroemulziók leírására korábban bevezetett Teubner-Strey szerkezeti függvény. A molekulák rendeződésének és kölcsönhatásainak molekuladinamikai módszerekkel való modellezése a kísérleti adatokkal viszonylag jó egyezést mutató szórási intenzitásokat adott, leszámítva a különböző izomerek oldatai közötti különbségeket.
A hármasrendszerek esetében, a kisszögű szórás mérésekben jellegzetes, hagyományos micellás oldatokra jellemző szerkezeti faktor látszik, taszító kölcsönhatást mutató kompakt aggregátumok jelenléte. Ennek geometriai megfeleltetése az oldatban jelenlevő molekulák asszociátumaira azonban nem vezetett elfogadható eredményre, a molekulák hidrofil és hidrofób csoporjainak méretarényai miatt. Folyamatban van az oldatszerkezet modellezése számítógépes szimulációs módszerekkel.
Publikáció
Kurbonov, S.; Pisárcik, M.; Lukác, M.; Czigány, Z.; Kovács, Z.; Tolnai, I.; Kriechbaum, M.; Ryukhtin, V.; Petrenko, V.; Avdeev, M.V.; et al.
Ordered Mesoporous Silica Prepared with Biodegradable Gemini Surfactants as Templates for Environmental Applications. Materials 2025, 18, 773. https://doi.org/10.3390/ma18040773
A TÉT-1.2.4-2021-00063 számú projekt a Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Alapból biztosított támogatással, a TÉT pályázati program finanszírozásában valósul meg.