Fatty Acid Self-Assembly at the Air–Water Interface
Curvature, Patterning, and Biomimetics: A Study by Neutron Reflectometry and Atomic Force Microscopy
Tid: Fr 2020-06-12 kl 10.00
Plats: https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_ELSPsgfwQXC1ueMnVXwIUg, Stockholm (English)
Ämnesområde: Kemi
Respondent: Erik Bergendal , Yt- och korrosionsvetenskap
Handledare: Professor Mark W. Rutland, Yt- och korrosionsvetenskap
Abstract
Under mer än hundra år av ytkemisk forskning har långa fettsyror utgjort ett standardsystem vid studier av monomolekylära skikt på fasgränsytan mellan luft och vatten. Här utnyttjas systemets enkelhet och fettsyrors amfifila egenskaper: de består av en hydrofil karboxylgrupp och en hydrofob kolkedja, vilket leder till att de adsorberas på en plan vatten–luftgränsyta. Systemets antagna enkelhet och fältets mognad till trots – eller snarare till följd av detta – har lett till att den förutfattade uppfattningen om en tvådimensionell vattenyta ännu ej ifrågasatts.
Den naturligt förekommande förgrenade fettsyran 18-metyleikosansyra och en av dess isomerer bildar monoskikt bestående av tiotals nanometer stora monodispersa domäner vars storlek varierar beroende på metylförgreningens placering på kolkedjan. Här undersöks hur dessa domäntäckta monoskikt strukturerar den underliggande vattenytan ut ur det tvådimensionella planet till följd av hur metylförgreningen begränsar intilliggande kolkedjors tätpackningsförmåga.
I avhandlingen har neutronspridning använts för att studera monoskikt av förgrenade fettsyror direkt på vatten–luftgränsytan. Metoden har möjliggjort att noggrant undersöka hur en formbar vattenyta påverkas av monoskiktets tredimensionella struktur. Sådana monoskikt har även överförts till fasta ytor med hjälp av Langmuir–Blodgettdeponering för att därefter karakteriseras med atomkraftsmikroskopi. Sammantaget har resultaten från dessa mättekniker enhälligt – om än allt utom strikt – bevisat att självassociering av grenade fettsyror kröker den underliggande vatten–luftgränsytan, vilket medför de uppvisade egenskaperna till domänformation. Detta bestrider föreställningen om en plan vattenyta. Form och storlek hos de observerade domänerna kan regleras genom att ändra kompositionen i blandsystem med förgrenade och raka fettsyror, variera längden på den raka fettsyran och genom att ändra subfasens elektrolytsammansättning. Vardera av dessa parametrar möjliggör lokal förändring av monoskiktets och därmed vattenytans krökning, vilket kan likställas med motsvarande självassocierande tredimensionella strukturer som miceller och flytande kristallina faser. Denna precisa styrning av domänformationen gör det möjligt att med hållbar kemi skapa varaktiga nanostrukturerade ytor. Slutligen har resultaten från den här avhandlingen lett fram till en hypotes relaterad till självläkande egenskaper, som beskriver varför den grenade fettsyran 18-metyleikosansyra står för en betydande del av fettsyrakompositionen på hårets yttersta gränsskikt.