ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Thị Huệ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG 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

Hà Nội – 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Thị Huệ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG 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

Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 62 44 01 09

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã số
QG.18.18, tôi xin chân thành cảm ơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường đại học Hùng Vương đã tạo
điều kiện, hỗ trợ tôi về kinh phí và thời gian để tôi thực hiện tốt đề tài nghiên cứu
của mình. Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp Bộ môn Vật lý, khoa Khoa học Tự nhiên,
trường ĐH Hùng Vương - Phú Thọ đã tạo điều kiện về thời gian và động viên tôi
trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề tài.
Cuối cùng, tôi xin được trân trọng gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã
luôn ở bên chia sẻ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực
hiện bản luận án này.
Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 2018
Tác giả luận án

Nguyễn Thị Huệ


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................4
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................6
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................11
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẶT PHÂN CÁCH CHẤT LỎNG – KHÔNG
KHÍ VÀ KỸ THUẬT QUANG PHỔ HỌC DAO ĐỘNG TẦN SỐ TỔNG .......17
1.1. Mặt phân cách chất lỏng - không khí .............................................................17
1.1.1. Vai trò của mặt phân cách chất lỏng - không khí............................................17
1.1.2. Đơn lớp Langmuir và ứng dụng ......................................................................19
1.1.3. Động lực học bề mặt phân cách chất lỏng – không khí ..................................21
1.1.4. Sự chuyển pha của đơn lớp Langmuir ............................................................24
1.1.5. Phƣơng pháp tạo mẫu đơn lớp Langmuir .......................................................25
1.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu mặt phân cách chất lỏng – không khí .........27

3.1.1. Đƣờng đẳng nhiệt π – A ..................................................................................75
3.1.2. Nghiên cứu sự chuyển pha của đơn lớp Langmuir AA bằng phƣơng pháp
quang phổ học dao động tần số tổng .........................................................................79
3.2. Cấu trúc phân tử của đơn lớp axit arachidic tại mặt phân cách nƣớc không khí..................................................................................................................86
3.2.1. Cấu trúc bề mặt phân cách nƣớc - không khí ..................................................86
3.2.2. Mặt phân cách đơn lớp Langmuir axít arachidic – nƣớc nguyên chất ............88
3.3. Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................92
CHƢƠNG 4. ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC CHẤT HÒA TAN LÊN CẤU TRÚC
ĐƠN LỚP AXÍT ARACHIDIC TẠI MẶT PHÂN CÁCH NƢỚC - KHÔNG
KHÍ ...........................................................................................................................94
4.1. Ảnh hƣởng của pH ...........................................................................................94
4.2. Ảnh hƣởng của các anion halogen ................................................................104
4.2.1 Ảnh hƣởng của các anion I¯, Cl¯ ...................................................................104
4.2.2 Ảnh hƣởng của anion F¯ ................................................................................110
4.3. Ảnh hƣởng của các cation kim loại kiềm Na+ và K+ ...................................114
4.4. Ảnh hƣởng của các cation kim loại La3+ và Fe3+ .........................................118
4.4.1. Chuẩn bị mẫu đơn lớp AA trên các dung dịch LaCl3 và FeCl3 ....................119

2


4.4.2. Ảnh hƣởng của ion La3+ và Fe3+....................................................................120
4.5. Kết luận chƣơng 4 ..........................................................................................127
KẾT LUẬN ............................................................................................................129
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN ÁN ...............................................................................................................131
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................132

3


DPPC

Dipalmitoyl phosphatidyl choline

GIXD

Grazing incidence X-ray
diffraction

Nhiễu xạ tia X góc là

HSA

Human serum albumin

Albumin huyết thanh ngƣời

IR

Infrared

Hồng ngoại

LB

Langmuir Blodgett

LE

Liquid - expand


Tần số tổng

SFG

Sum-Frequency Generation

Sự phát tần số tổng

SFG-VS

Sum-Frequency Generation
Vibrational Spectroscopy

Quang phổ dao động tần số
tổng

SHG

Second Harmonics Generation

Sự phát họa ba bậc hai

S/N

signal/noise

Tỷ số tín hiệu/nhiễu

TC

Bảng 2.1. Các bƣớc sóng sử dụng đối với ống nhân quang điện PMT1 và PMT2 ..63
Bảng 2.2. Các thông số của các hóa chất đã đƣợc sử dụng trong luận án. ...............67
Bảng 2.3. Dụng cụ thí nghiệm đã đƣợc sử dụng trong luận án. ................................67
Bảng 3.1. Giá trị áp suất bề mặt (π) của đơn lớp Langmuir AA/nƣớc. ....................76
Bảng 3.2. Sự gán đỉnh phổ SFG của đơn lớp Langmuir AA trên bề mặt nƣớc
nguyên chất trong các pha khác nhau. ......................................................................81
Bảng 3.3. Giá trị tỷ số cƣờng độ SFG ICH3SS / ICH2SS của đơn lớp AA/nƣớc. ............81
Bảng 3.4. Sự gán đỉnh phổ SFG của đơn lớp Langmuir AA/nƣớc nguyên chất trong
các cấu hình phân cực SSP, SPS và PPP ..................................................................91
Bảng 4.1. Tỷ số cƣờng độ SF ICH3SS / ICH2SS từ đơn lớp 1-BuOH trên dung dịch NaI
và NaCl. ...................................................................................................................107

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Đơn lớp Langmuir tại mặt phân cách nƣớc – không khí .........................19
Hình 1.2. Mô hình lực tác dụng của các phân tử nằm trong khối và trên bề mặt chất
lỏng. ...........................................................................................................................21
Hình 1. 3. Mô hình biểu diễn áp suất bề mặt của đơn lớp phát sinh từ hành động
―đẩy‖ lẫn nhau của các phân tử liền kề thuộc đơn lớp, hành động này chống lại hành
động ―kéo‖ của sức căng bề mặt của chất lỏng ngay bên dƣới đơn lớp. ..................23
Hình 1.4. Đƣờng cong đẳng nhiệt áp suất - diện tích bề mặt/phân tử (π - A)...........25
Hình 1.5. Mô hình tạo mẫu đơn lớp Langmuir .........................................................27
Hình 1.6. Sơ đồ thiết lập kính hiển vi góc Brewster. ................................................28
Hình 1.7. Ảnh chụp BAM của đơn lớp HSA trong pha xếp chặt (a) và đơn lớp hỗn
hợp HSA - DPPC tỷ lệ khối lƣợng XDPPC = 0,5 (b). ..............................................29
Hình 1.8. Hình ảnh đơn lớp axit arachidic sau khi bị sụp đổ trên bề mặt nƣớc (a) và
trên bề mặt dung dịch CaCl2 (b). ...............................................................................30
Hình 1.9. Các cation Fe3+ và La3+ liên kết với nhóm chức của đơn lớp AA ............31

Hình 2.6. Công thức cấu tạo và mô hình phân tử của axít Arachidic .......................66
Hình 2.7. Quy trình tạo mẫu màng đơn lớp AA trên bề mặt chất lỏng.....................69
Hình 2.8. Minh họa thí nghiệm sức căng bề mặt bằng phƣơng pháp Wilhelmy. .....71
Hình 3.1. Đƣờng đẳng nhiệt π - A của đơn lớp Langmuir AA trên bề mặt nƣớc. ....77
Hình 3.2. Xu hƣớng chuyển pha của đơn lớp AA khi ..............................................78
Hình 3.3. Các phổ SFG từ các mẫu màng đơn lớp Langmuir AA/nƣớc nguyên chất
khi diện tích bề mặt/phân tử giảm từ 40,8 đến 17 Å2/phân tử. .................................80
Hình 3.4. Biểu diễn tỷ số cƣờng độ các mode CH3SS và mode CH2SS theo tích bề
mặt/phân tử. ...............................................................................................................82
Hình 3.5. Đƣờng đẳng nhiệt (a) và các phổ SFG cấu hình phân cực SSP và SPS của
đơn lớp axit Pentadecanoic .......................................................................................84
Hình 3.6. Phổ SFG từ mặt phân cách nƣớc nguyên chất – không khí. .....................86
Hình 3.7. Phổ hấp thụ hồng ngoại của nƣớc lỏng và băng (a) và so sánh phổ hấp thụ
IR với phổ tán xạ Raman của nƣớc ở 298 K (b). ......................................................87
Hình 3.8. Sự liên kết của các phân tử nƣớc:a) trong khối nƣớc lỏng; b) dạng tinh thể
băng – cấu trúc lục giác. ............................................................................................88
Hình 3.9. Phổ SFG (SSP) của đơn lớp Langmuir AA/nƣớc nguyên chất.................89
Hình 3.10. Phổ SFG của đơn lớp AA /nƣớc nguyên chất vớicách kết hợp phân cực
của 3 tia SF, VIS và IR theo cấu hình phân cực SSP; SPS và PPP. ........................90
Hình 4.1. Phổ SFG của đơn lớp Langmuir AA trên bề mặt nƣớc (pH = 2 - 12) với số
sóng từ 2800 cm-1 - 3600 cm-1. .................................................................................95

7


Hình 4.2. Phổ SFG (SSP) của đơn lớp Langmuir AA trên bề mặt nƣớc có pH < 7
với số sóng từ 2800 cm-1 - 3600 cm-1........................................................................96
Hình 4.3. Phổ SFG (SSP) của đơn lớp Langmuir AA trên bề mặt nƣớc có pH < 7
với số sóng từ 1300 cm-1 - 1900 cm-1........................................................................97
Hình 4.4. Mô phỏng sự định hƣớng của các phân tử nƣớc bên dƣới đơn lớp AA


Hình 4.22. Phổ SFG của đơn lớp AA trên các dung dịch KCl. ..............................115
Hình 4.23. Các phổ SFG của đơn lớp AA trên các dung dịch NaCl và KCl có cùng
nồng độ 1M. ............................................................................................................116
Hình 4.24. Các phổ SFG của đơn lớp AA trên các dung dịch NaCl và KCl có cùng
nồng độ 2M. ............................................................................................................117
Hình 4.25. Cƣờng độ đỉnh CH3SS (a) và OH ―ice-like‖ (b) của đơn lớp AA trên các
dung dịch KCl và NaCl có nồng độ thay đổi. .........................................................117
Hình 4.26. Phổ SFG từ đơn lớp AA/nƣớc nguyên chất với A = 20,4 Å2/phân tử và
A = 22,6 Å2/phân tử. ...............................................................................................119
Hình 4.27. Phổ SFG của đơn lớp AA trên bề mặt các dung dịch LaCl3 và FeCl3. .121
Hình 4.28. Phổ SFG từ đơn lớp AA trên bề mặt nƣớc và dung dịch FeCl3 1mM có
cùng nồng độ anion Cl¯. .........................................................................................123
Hình 4.29. Phần trăm của Fe trong dung dịch 1 mM FeCl3 phụ thuộc vào độ pH của
dung dịch . ...............................................................................................................124
Hình 4.30. Phổ SFG của đơn lớp AA/ dung dịch 1 mM FeCl3 có pH thay đổi ......125
Hình 4.31. So sánh phổ SFG của đơn lớp AA trên dung dịch FeCl3 1 mM

và

đơn lớp AA trên nƣớc có cùng pH =1,71. ...............................................................126

10


MỞ ĐẦU
Các hiện tƣợng mặt phân cách chất lỏng - không khí có vai trò quan trọng
trong các quá trình hình thành, phân hủy, hòa tan, xúc tác và chuyển pha của chất,
thƣờng xuất hiện trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của chúng ta [21, 28]. Bên
cạnh đó, hiện tƣợng mặt phân cách chất lỏng - không khí còn có vai trò đặc biệt

các nghiên cứu thuộc ngành hóa học, sinh học và y tế. Cụ thể, nghiên cứu tƣơng tác
của Na+ và K+ với đơn lớp Langmuir có thể hiểu đƣợc vai trò của các cation này đối
với việc điều khiển quá trình co cơ và xác định sự truyền xung thần kinh trong não
cũng nhƣ từ não đến các bộ phận khác của cơ thể [57, 65]. Mặt khác, tƣơng tác giữa
các cation có số ô xi hóa bằng ba nhƣ Fe3+ và La3+ với đơn lớp Langmuir tại mặt
phân cách nƣớc - không khí là phức tạp do Fe3+ có thể tồn tại trong nƣớc dƣới dạng
ion hoặc phức mà hiện nay chƣa đƣợc nghiên cứu chi tiết [81, 99, 100].
Để nghiên cứu các tính chất của đơn lớp Langmuir tại mặt phân cách chất lỏng
- không khí, nhiều kỹ thuật đã đƣợc phát triển nhƣ kính hiển vi góc Brewster
(BAM) [71, 89] có thể thu đƣợc hình ảnh của các đơn lớp ở phạm vi micro mét, nên
không thể cung cấp thông tin cấu trúc ở mức phân tử. Mặt khác, BAM chỉ có thể
chụp ảnh của đơn lớp đặt trong môi trƣờng chân không cao, do đó kỹ thuật này
không thích hợp trong nghiên cứu cấu trúc phân tử tại mặt phân cách chất lỏng không khí; Kỹ thuật nhiễu xạ tia X [91, 99, 100] cho phép xác định cấu trúc tinh thể
2 chiều của đơn lớp, tuy nhiên kỹ thuật này không thăm dò đƣợc cấu trúc nƣớc bên
dƣới đơn lớp Langmuir, do đó không thể nghiên cứu tƣơng tác của đơn lớp
Langmuir với nƣớc cũng nhƣ các chất hòa tan bên dƣới đơn lớp; Kỹ thuật quang
phổ hấp thụ - phản xạ hồng ngoại không có bản chất đặc trƣng bề mặt do độ sâu
thăm dò hiệu quả của chúng trên vài µm.
Trong vài thập niên gần đây, phƣơng pháp quang phổ học dao động tần số
tổng (Sum-frequency Generation Vibrational Spectroscopy: SFG-VS) ra đời nhờ sự
phát triển của công nghệ laser xung cực ngắn [30]. Sự phát tần số tổng (SFG) là một
quá trình quang học phi tuyến bậc hai, trong gần đúng lƣỡng cực điện, SFG bị cấm
đối với môi trƣờng đối xứng tâm, nhƣng cho phép ở bề mặt hoặc mặt phân cách mà
tại đó tính đối xứng nghịch đảo bị phá vỡ [76]. Vì vậy, SFG-VS là một kỹ thuật có

12


đặc trƣng bề mặt cao, rất nhạy với cấu trúc bề mặt. Đây là một phƣơng pháp mới,
hiện đại và có nhiều ƣu điểm vƣợt trội mà các phƣơng pháp khác không có đƣợc.


2. Khảo sát ảnh hƣởng của pH lên cấu trúc mạng liên kết hydro tại mặt phân
cách đơn lớp Langmuir AA - nƣớc, từ đó cho biết trật tự cấu trúc mặt phân cách phụ
thuộc vào điện tích của đơn lớp.
3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của các anion halogen I¯, Cl¯, F¯ lên trật tự cấu trúc
phân tử của đơn lớp Langmuir AA - nƣớc, từ đó xác nhận lại xu hƣớng bề mặt của
các ion halogen này.
4. Nghiên cứu cơ chế tƣơng tác của các cation kim loại kiềm có số ôxi hóa
bằng một Na+, K+ và các cation có số ôxi hóa bằng ba Fe3+, La3+ với đơn lớp
Langmuir AA, từ đó cho biết ảnh hƣởng của các cation này lên cấu trúc phân tử tại
mặt phân cách.
Tính mới và tính thời sự của luận án
1. Lần đầu tiên tại Việt Nam ứng dụng phƣơng pháp quang phổ học dao động
tần số tổng để nghiên cứu một cách hệ thống ảnh hƣởng của các chất hòa tan phổ
biến trong môi trƣờng sinh học lên cấu trúc tại mặt phân cách của đơn lớp
Langmuir.
2. Lần đầu tiên nghiên cứu ảnh hƣởng của các ion halogen I¯; Cl¯; F¯ lên cấu
trúc mặt phân cách đơn lớp Langmuir axit arachidic - nƣớc. Trong đó, I¯ và Cl¯ có
xu hƣớng bề mặt cao, làm xáo trộn cấu trúc tại mặt phân cách đơn lớp AA - nƣớc.
Trái lại, F¯ có xu hƣớng bề mặt thấp hơn nên làm tăng cƣờng trật tự cấu trúc mặt
phân cách. Xác nhận lại xu hƣớng bề mặt của các anion halogen theo thứ tự giảm
dần: I¯; Cl¯; F¯ mà hiện nay xu hƣớng bề mặt của các anion này vẫn còn nhiều
tranh cãi.
3. Chỉ ra cơ chế tƣơng tác giữa cation kiềm K+ và Na+ với đơn lớp AA là
tƣơng tác Coulomb. Các cation này làm xáo trộn cấu trúc mặt phân cách đơn lớp
AA - nƣớc.
4. Cơ chế tƣơng tác của các cation kim loại có cùng số oxi hóa bằng ba nhƣ
La3+ và Fe3+ lên đơn lớp AA hoàn toàn khác nhau. Các cation La3+ liên kết với đơn
lớp AA bằng tƣơng tác Coulomb, gây ra sự xáo trộn cấu trúc mặt phân cách. Trong
khi đó, thành phần không tan Fe(OH)3 liên kết tạo phức với các nhóm cacboxylic

SSP; SPS; PPP.

15


CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC CHẤT HÒA TAN LÊN
CẤU TRÚC ĐƠN LỚP AXÍT ARACHIDIC TẠI MẶT PHÂN CÁCH CHẤT
LỎNG - KHÔNG KHÍ
Trình bày các kết quả và thảo luận về ảnh hƣởng của pH; các anion halogen; các
cation kiềm Na+ và K+; các cation có số ôxi hóa bằng ba Fe3+ và La3+ lên cấu trúc
mặt phân cách đơn lớp Langmuir AA tại mặt phân cách chất lỏng - không khí.

16


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẶT PHÂN CÁCH CHẤT LỎNG – KHÔNG
KHÍ VÀ KỸ THUẬT QUANG PHỔ HỌC DAO ĐỘNG TẦN SỐ TỔNG
Chƣơng này giới thiệu chung về mặt phân cách chất lỏng - không khí, đơn lớp
Langmuir, tìm hiểu vai trò của bề mặt phân cách chất lỏng - không khí, vật liệu và
các phƣơng pháp tạo mẫu màng đơn lớp Langmuir trên bề mặt chất lỏng. Giới thiệu
các phƣơng pháp nghiên cứu cấu trúc phân tử của đơn lớp Langmuir, so sánh và
đƣa ra hạn chế của mỗi phƣơng pháp từ đó chỉ ra tính ƣu việt của phƣơng pháp
SFG-VS trong nghiên cứu các đặc tính cấu trúc tại bề mặt phân cách. Tổng quan về
ảnh hƣởng của các chất hòa tan lên cấu trúc bề mặt phân cách cũng đƣợc trình bày.
1.1. Mặt phân cách chất lỏng - không khí
1.1.1. Vai trò của mặt phân cách chất lỏng - không khí
Các hiện tƣợng mặt phân cách chất lỏng - không khí có ý nghĩa quan trọng
trong các quá trình hình thành, phân hủy, hòa tan, xúc tác và chuyển pha của chất
mà chúng thƣờng xuất hiện trong đời sống sinh hoạt hàng ngày của chúng ta. Ví dụ,
mặt phân cách nƣớc - không khí trực tiếp tham gia vào các vấn đề môi trƣờng nhƣ

mặt trời, các ion halogen có trong sol khí tạo thành các nguyên tử halogen Cl, Br, I,
F. Tiếp theo, các nguyên tử halogen phản ứng với ozon (O3) để hình thành ôxit
halogen dẫn đến phá hủy tầng ôzôn. Mặt khác, các sol khí đóng vai trò quan trọng
trong biến đổi khí hậu toàn cầu thông qua tác động của chúng lên quá trình ngƣng tụ
đám mây cũng nhƣ sự cân bằng bức xạ và mức độ mƣa. Thành phần các chất hóa
học và kích thƣớc của sol khí cũng quyết định mức độ nghiêm trọng của dông bão
[73, 78, 94]. Ngoài ra, sol khí từ nƣớc biển có thể chứa hàng trăm loại chất hữu cơ,
trong đó có axit béo và rƣợu chuỗi dài tạo thành màng trên bề mặt sol khí. Các phép
đo môi trƣờng gần đây cho thấy sol khí có chứa các hợp chất hữu cơ từ 20% đến
70% theo khối lƣợng [22, 23, 54]. Điều này rất quan trọng vì sự có mặt của các
màng hợp chất hữu cơ trên bề mặt có thể làm thay đổi khả năng hấp thụ và hút ẩm
của sol khí [17, 59]. Tuy nhiên, ảnh hƣởng chi tiết của các anion halogen này lên
cấu trúc mặt phân cách nƣớc - không khí vẫn chƣa đƣợc rõ ràng và còn nhiều tranh
cãi [24, 45, 69].

18


1.1.2. Đơn lớp Langmuir và ứng dụng
1.1.2.1. Định nghĩa đơn lớp Langmuir
Đơn lớp Langmuir là lớp có độ dày một phân tử chất không hòa tan hình thành
trên bề mặt phân cách chất lỏng - không khí. Các phân tử hữu cơ có cả tính kỵ nƣớc
và ƣa nƣớc nhƣ lipit, axit béo và rƣợu chuỗi dài đều có thể hình thành đơn lớp
Langmuir [55].
Các hợp chất thông thƣờng đƣợc sử dụng để tạo các đơn lớp Langmuir là các
chất hoạt động bề mặt bao gồm một nhóm chức ƣa nƣớc và một đuôi kị nƣớc. Các
chất hoạt động bề mặt bao gồm: chất béo, axit béo, rƣợu, protein, và nhiều phân tử
sinh học khác. Do tính vừa kị nƣớc vừa ƣa nƣớc của các phân tử chất hoạt động bề
mặt, mà các phân tử này có thể tự sắp xếp tạo thành đơn lớp Langmuir tại bề mặt
nƣớc. Hình 1.1 dƣới đây mô phỏng hình ảnh của đơn lớp Langmuir tại mặt phân

lớp đế rắn và hình thành màng Langmuir – Blodgett (LB) [77]. Màng LB có các đặc
tính nhƣ tính dẫn điện, từ tính và tính hoạt động quang nên nó có nhiều ứng dụng
trong các lĩnh vực quang điện tử và sinh học. Kỹ thuật LB có nhiều ứng dụng tiềm
năng trong lĩnh vực điện phân tử, quang học phi tuyến và màng mỏng dẫn điện, loại
vật liệu này rất phổ biến trong thiết kế các thiết bị cảm biến [10, 27, 56, 62, 66]. Để
có đƣợc các ứng dụng thành công, chúng ta cần hiểu biết sâu sắc về cấu trúc phân tử
cũng nhƣ ảnh hƣởng của môi trƣờng xung quanh lên đơn lớp Langmuir [62, 85,
104].
Đơn lớp Langmuir tích điện do sự ion hóa của các nhóm chức phân tử hoặc do
hấp phụ các ion từ nƣớc, sẽ ảnh hƣởng đến trạng thái pha, sức căng bề mặt và mật
độ sắp xếp của đơn lớp, đồng thời làm thay đổi cấu trúc của nƣớc bên dƣới đơn lớp
[41, 71]. Các đơn lớp Langmuir tích điện đƣợc coi nhƣ một tấm điện tích và là một
hệ lý tƣởng để nghiên cứu lý thuyết Poisson-Boltzmann về sự phân bố điện trƣờng
trong một dung dịch điện phân gần một mặt phân cách tích điện [28, 58], đó là điều
quan trọng nhất trong ngành điện hóa. Đơn lớp Langmuir tích điện cũng liên quan
rất nhiều đến sự hấp phụ ion, protein và ADN từ nƣớc bên dƣới lên màng tế bào [6,

20


26]. Mặt khác, tại mặt phân cách nƣớc - không khí, tất cả các tƣơng tác phân tử phân tử hoặc ion đều tƣơng tác gián tiếp thông qua các phân tử nƣớc. Do đó, nghiên
cứu trƣờng bề mặt tác động lên cấu trúc nƣớc tại mặt phân cách cũng đóng một vai
trò quan trọng trong nhiều quá trình.
Nhƣ vậy, những nghiên cứu về mặt phân cách chất lỏng – không khí có và
không có đơn lớp đã đƣợc thực hiện rộng rãi trên thế giới, tuy nhiên lĩnh vực này
hoàn toàn mới và chỉ đƣợc nghiên cứu ở Việt Nam gần đây. Để hiểu rõ về cấu trúc
phân tử tại mặt phân cách chất lỏng – không khí, các tính chất nhiệt động lực học
của mặt phân cách này sẽ đƣợc phân tích chi tiết trong mục 1.1.3
1.1.3. Động lực học bề mặt phân cách chất lỏng – không khí
Xét bề mặt hệ dị thể gồm pha lỏng và pha khí. Mật độ phân tử trong pha lỏng

nằm trong khối và trên bề mặt chất lỏng.

ngoài pha khí. Do đó, các phân
tử này có xu hƣớng bị hút vào trong lòng pha lỏng. Độ lớn của lực này càng tăng
khi phân tử B càng tiến gần bề mặt thoáng. Lực ép các phân tử B, C tại mặt phân
cách hƣớng vào trong lòng chất lỏng gọi là nội áp. Nội áp kéo các phân tử chất lỏng

21


vào trong, theo hƣớng vuông góc với bề mặt nên có xu hƣớng làm cho diện tích bề
mặt giảm đến tối thiểu trong những điều kiện nhất định.
Định nghĩa sức căng bề mặt σ là lực tác dụng lên một đơn vị chiều dài của
ranh giới phân chia và làm giảm diện tích bề mặt chất lỏng. Trong hệ đo lƣờng quốc
tế, sức căng bề mặt đƣợc đo bằng Newton trên mét (N.m-1).
Giá trị của sức căng bề mặt phụ thuộc vào bản chất của các pha tiếp xúc, nhiệt
độ và lƣợng chất hòa tan. Khi hòa tan một chất nào đó vào chất lỏng thì sức căng bề
mặt (σ) của dung dịch sẽ khác σ0 của chất lỏng nguyên chất. Nếu σ < σ0, khi đó chất
tan tồn tại trên bề mặt và gọi là chất hoạt động bề mặt, có nghĩa là có độ hấp phụ
dƣơng. Chất hoạt động bề mặt có độ tan tƣơng đối bé, ví dụ: axít béo và rƣợu chuỗi
dài. Ngƣợc lại, nếu σ > σ0, chất tan là chất không hoạt động bề mặt. Các chất không
hoạt động bề mặt có độ tan cao, rời khỏi bề mặt và tan sâu vào khối dung dịch [55].
Năm 1996, P. K. Weissenborn và cộng sự đã đo sức căng bề mặt của dung
dịch chất điện phân và chỉ ra rằng các ion đang cạn kiệt từ vùng bề mặt [103]. Kết
quả này phù hợp với những lý thuyết cổ điển của Langmuir, Wagner, Onsager và
Samaras [42, 60, 98]. Tuy nhiên các lý thuyết Wagner - Onsager - Samaras (WOS)
áp dụng cho dung dịch NaI thì kết quả lại không chính xác, lý thuyết dự đoán rằng ở
cùng nồng độ dung dịch, sức căng bề mặt của NaI sẽ lớn hơn so với sức căng bề
mặt của dung dịch NaCl, trong khi đó thực nghiệm lại tìm ra kết quả ngƣợc lại so
với lý thuyết [103].