Применение метода газоразрядной визуализации для изучения структурного состояния водных растворов поверхностно активных веществ

М.Н. Шипко¹, Н.В. Усольцева¹, А.Л. Сибирев², О.М. Масленникова³,
М.А. Степович¹, А.И. Тихонов², Е.А.Марков, А.И. Смирнова¹
1 Ивановский государственный университет, michael-1946@mail.ru,
nadezhda_usoltseva@mail.ru
2 Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина,
michael-1946@mail.ru
3 Центральная государственная медицинская академия Управления делами
Президента Российской Федерации, om_shipko@mail.ru
4 Калужский государственный университет им. К.Э. Циолковского,
m.stepovich@rambler.ru  5ОО «Компания «Союз»

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к водным растворам поверхностно-активных веществ (ПАВ) обусловлен тем, что мицеллы являются основными строительными элементами лиотропных мезофаз. Изучение лиомезофаз стало особенно актуальным после установления жидкокристаллического состояния многих биосред и биомембран, физиологические и патологические процессы в которых связаны с их фазовым состоянием. Методические сложности изучения мицеллярных структур, возникающих при фазовых превращениях в водных растворах ПАВ связаны с трудностью экспериментального использования структурных методов определения строения предмицеллярных ассоциатов и мицелл: 1) применение электронографии для структурных исследований водных растворов затруднено из-за сильного взаимодействия электронов с веществом [1]; 2) нейтронография позволяет получать информацию лишь о динамических свойствах отдельных атомов и молекул [2]; 3) рентгеноструктурный анализ не обеспечивает возможности определения характера упорядочения молекулярных комплексов в силу специфики рентгеновского излучения [3]; 4) весьма затруднительно использование и классических резонансных методов, таких, как ЯМР и ЭПР в связи с неоднозначностью интерпретации полученных результатов [4]; 5) изучение структуры растворов методом светорассения может дать информацию лишь об объемных свойствах среды [5]. Вместе с тем без выяснения особенностей надмолекулярной организации водных растворов ПАВ и липидов невозможно создавать модельные системы, являющаяся аналогами жидкокристаллических биоструктур, прогнозировать их биологические и физико-химические свойства при различных внешних воздействиях [6].

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для исследования процессов реконструкции надмолекулярной организации разбавленных водных растворов ПАВ под влиянием импульсных электрических и магнитных полей использован метод газоразрядной визуализации (ГРВ) [7].
Объектами исследования служили водные растворы ПАВ цетилтриметиламмония бромистого C19H42N(CH3)3Br (ЦТАБ) с концентрацией (5,410-3мол. %), превышающей критическую концентрацию мицеллообразования (ККМ1). Растворы подвергали магнитоимпульсной обработке (Н = 100 Э, tимп. = 0,4 с, τпаузы =1 с), которая способствовала процессам самосборки и разрушению мицелл. Исследования выполнены в импульсном электрическом поле камеры ГРВ (Е = 4,5106 В/м, f = 1024 Гц, τимп. = 310-6 с). 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены картины газоразрядного свечения раствора ПАВ после магнитоимпульсного воздействия (стереографические проекции следов свечения водных растворов ПАВ) различным числом импульсов и стереографические проекции элементов симметрии и плоскостей плотной упаковки ассоциатов, вдоль которых движутся электроны в растворе, для кубической и гексагональной сингоний. 

  5 имп.    10 имп. 2 имп.

а

  Гексагональная 6m2 Кубическая 4m3 Кубическая m3  Кубическая m3m

Рис. 1. а – результаты экспериментальных исследований – стереографические проекции следов свечения водных растворов ПАВ (концентрация 5,4810-3 мол. %) после их магнитоипмульсной обработки; б – стереографические проекции элементов симметрии и плоскостей плотной упаковки ассоциатов, вдоль которых движутся электроны в растворе, для кубической и гексагональной сингоний [10]. Для рис. а приведено количество импульсов магнитоимпульсной обработки, для рис. б – элементы симметрии кубической и гексагональной сингоний.

Видно, что в зависимости от длительности магнитоимпульсного воздействия они представляют различные картины следов движения эмитируемых электронов. Учитывая, что в растворе существуют предмицеллярные ассоциаты и мицеллы, можно предположить, что их пространственное расположение упорядочено и они выполняют роль направляющих, вдоль которых движутся электроны. Взаимодействие между ассоциатами вследствие минимизации свободной поверхностной энергии способствует формированию квазиструктурных ансамблей (кластеров) с различным сочетанием плотности упаковки и симметрии позиционного порядка мицелл. 

Исходя из принципа компактности упаковки структурных единиц, наиболее энергетически выгодными являются кубическая и гексагональная упаковки ассоциатов [15]. При кубической упаковке мицеллы формируют плотноупакованные слои, перпендикулярные четырем объемным диагоналям куба (рис. 1). Стереографические проекции этих слоев (плоскостей) соответствуют направлениям каналов, по которым осуществляется облегченная диффузия атомов, ионов и электронов (рис. 1б). Для гексагональной упаковки таких направлений будет 6.

Сопоставление картин свечения со стереографическими проекциями указывает на корреляцию между направлениями следов движения электронов и плоскостей симметрии в упаковках ассоциатов для планального класса кубической ( 3m) и гексагональной ( m2) сингонии, а также центрального класса кубической сингонии m3 или m3m [10]. Наблюдаемые корреляции между картинами свечения и наборами элементов симметрии, свойственных этим классам сингоний, и ориентацией плоскостей с наиболее плотной упаковкой элементов структуры, были использованы для интерпретации процессов структурной трансформации квазикристаллических ансамблей мицелл раствора ПАВ после магнитоимпульсного воздействия и в импульсном электрическом поле прибора ГРВ. Результаты проведенного анализа приведены в таблице.