Влияние щелочного состава жидкой субфазы на морфологию ленгмюровских плёнок Нафиона Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Влияние щелочного состава жидкой субфазы на морфологию ленгмюровских плёнок Нафиона

В.Е. Асадчиков1, Н.Ф. Бункин2, В.В. Волков1, Ю.О. Волков1, А.Д. Нуждин1, Б.С. Рощин1, Н.Д. Стёпина1, А.М. Тихонов3

1- ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, Ленинский пр-т, 59, Москва, 119333 2- Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, ул. Вавилова, 38, Москва, 119991 3- Институт физических проблем им. П.Л. Капицы РАН, ул. Косыгина, 2 стр. 4, Москва, 119334

email: volkov.y@crys.ras.ru

Нафион — торговое название сополимера фторопласта (из группы иономеров), применяемого для изготовления электролитических мембран [1]. Специфические амфифильные свойства молекулы-мономера Нафиона обусловлены присутствием в её структуре главной перфторуглеродной цепи и гидрофильных боковых цепей с сульфоновыми группами. Согласно теоретическим расчётам, ионная проводимость мембраны из Нафиона зависит от морфологии и локальной структуры плёнки [2]. В свою очередь, исследования структуры плёнок, сформированных ленгмюровским методом, показывают, что их морфология в значительной мере определяется составом субфазы подложки. В частности, агрегация боковых цепей приводит к формированию трубчатых мицелл с большим временем релаксации [3].

Авторы представляют результаты исследования структуры плёнок Нафиона на жидких подложках с различной концентрацией щёлочи методом рентгеновской рефлектометрии. Калиброванный объём спиртового раствора Нафиона наносился капельным методом на поверхность жидкой субфазы: деионизованной воды и раствора NaOH 0.05 моль/л (pH «11.3). Образцы были приготовлены в герметизируемой камере с рентгенопрозрачными окнами по методике, описанной в [4]. Измерения угловых зависимостей коэффициента зеркального отражения рентгеновского излучения проводились на дифрактометре с подвижной системой излучатель-детектор [5]. Обработка полученных рефлектометрических данных и расчёт распределений объёмной электронной концентрации по глубине проводились в рамках модельно-независимого подхода [6]. Форма и характерный размер мицелл Нафиона дополнительно контролировались методом малоуглового рентгеновского рассеяния [7]. Восстановление формы молекул по кривым МУРР было проведено методом ab initio в программном пакете ATSAS [8].

Согласно рассчитанным распределениям электронной концентрации, плёнки Нафиона, сформированные на щелочном растворе NaOH, имеют существенно более высокую плотность, чем плёнки на поверхности деионизованной воды. Предположительно, присутствие щёлочи в объёме субфазы приводит ко вхождению ионов натрия и гидроксил-ионов в гидрофильную область мономера и, как следствие, перестроению гидрофильно-гидрофобного баланса молекулы. Это обеспечивает формирование прочного монослоя на границе раздела фаз. Таким образом, подтверждено, что степень гидратации Нафиона определяет различия в морфологии формируемой плёнки.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования России в рамках Государственных заданий указанных институтов.

[1] Heitner-Wirguin, C. Recent advances in perfluorinated ionomer membranes: structure, properties and applications // J. Membr. Sci. 120. 1-33 (1996).

[2] Jang, S. S., Molinero, V., Çagin, T. and Goddard III, W.A., Nanophase-Segregation and Transport in Nafion 117 from Molecular Dynamics Simulations: Effect of Monomeric Sequence // J. Phys. Chem. B, 108, 3149-3157 (2004).

[3] Bass, M., Berman, A., Singh, A., Konovalov, O. And Freger, V. Surface-Induced Micelle Orientation in Nafion Films // Macromolecules, 44, 2893-2899 (2011).

[4] Тихонов А.М., Асадчиков В.Е., Волков Ю.О., Рощин Б.С., Монахов И.С., Смирнов И.С. Кинетика формирования фосфолипид-ного мультислоя на поверхности кремнезоля // Письма в ЖЭТФ 104, 880 (2016).

[5] Асадчиков В.Е., Бабак В.Г., Бузмаков А.В. и др. Рентгеновский дифрактометр с подвижной системой излучатель-детектор // ПТЭ 3, 99-107 (2005).

[6] Kozhevnikov, I. V., Peverini, L. and Ziegler, E. Development of a self-consistent free-form approach for studying the three-dimensional morphology of a thin film // Phys. Rev. B, 85, 125439 (2012).

[7] D. I. Svergun, P. V. Konarev, V. V. Volkov et. al. // J. Chem. Phys. 113, 1651 (2000).

[8] D. I. Svergun, Restoring low resolution structure of biological macromolecules from solution scattering using simulated annealing // Biophys. J. 76, 2879-2886 (1999).