이 논문은 콜로이드 입자가 기름-물 사이의 계면으로 흡착될 때 필수적으로 존재하는 정전기적 반발력에 대한 실험적, 이론적 연구이다. 광집게(optical laser tweezers)와 피에조(piezo controller)를 사용하여, 개별 입자를 트랩(trap)한 후, 계면으로 강제 전이시킨다. 이때 수용액이 전해질을 포함한 경우에만, 입자가 계면으로 전이되며, 포함하지 않을 경우에는 흡착이 일어나지 않는다. 이러한 현상을 근본적으로 이해하기 위해, 광학 트랩핑 힘(optical trapping force)과 입자와 계면 사이에 존재하는 정전기적 분리압력(electrostatic disjoining pressure)를 정량적으로 계산하였다. 이를 바탕으로, 입자가 계면으로 흡착될 때, 그들 사이에는 필연적으로 문턱 에너지(threshold energy)가 존재함을 밝혀냈다. 콜로이드 입자가 에멀젼(emulsions)이나 거품(foams)등 두 개 이상의 섞이지 않는 유체계면을 안정화 시키는 "콜로이드 계면 활성제(colloid surfactants)" 역할을 한다는 사실을 고려했을 때, 본 연구는 이러한 입자의 흡착 현상을 근본적으로 이해하는데 있어서 중요한 지식을 제공한다.
이 논문은 콜로이드 입자가 기름-물 사이의 계면으로 흡착될 때 필수적으로 존재하는 정전기적 반발력에 대한 실험적, 이론적 연구이다. 광집게(optical laser tweezers)와 피에조(piezo controller)를 사용하여, 개별 입자를 트랩(trap)한 후, 계면으로 강제 전이시킨다. 이때 수용액이 전해질을 포함한 경우에만, 입자가 계면으로 전이되며, 포함하지 않을 경우에는 흡착이 일어나지 않는다. 이러한 현상을 근본적으로 이해하기 위해, 광학 트랩핑 힘(optical trapping force)과 입자와 계면 사이에 존재하는 정전기적 분리압력(electrostatic disjoining pressure)를 정량적으로 계산하였다. 이를 바탕으로, 입자가 계면으로 흡착될 때, 그들 사이에는 필연적으로 문턱 에너지(threshold energy)가 존재함을 밝혀냈다. 콜로이드 입자가 에멀젼(emulsions)이나 거품(foams)등 두 개 이상의 섞이지 않는 유체계면을 안정화 시키는 "콜로이드 계면 활성제(colloid surfactants)" 역할을 한다는 사실을 고려했을 때, 본 연구는 이러한 입자의 흡착 현상을 근본적으로 이해하는데 있어서 중요한 지식을 제공한다.
I present the behavior of colloidal adsorption to an oil-water interface in the presence of electrolyte in an aqueous subphase. The optical laser tweezers and the piezo controller are used to trap an individual polystyrene microsphere in water and forcibly transfer it to the interface in the vertica...
I present the behavior of colloidal adsorption to an oil-water interface in the presence of electrolyte in an aqueous subphase. The optical laser tweezers and the piezo controller are used to trap an individual polystyrene microsphere in water and forcibly transfer it to the interface in the vertical direction. Addition of an electrolyte (i.e., NaCl) in the aqueous subphase enables the particle to attach to the interface, whereas the particle escapes from the trap without the adsorption in the absence of the electrolyte. Based on the analytical calculations of the optical trapping force and the electrostatic disjoining pressure between the particle and the oil-water interface, it is found that a critical energy barrier between them should exist. This study will provide a fundamental understanding for applications of colloidal particles as solid surfactants that can stabilize the immiscible fluid-fluid interfaces, such as emulsions (i.e., Pickering emulsions) and foams.
I present the behavior of colloidal adsorption to an oil-water interface in the presence of electrolyte in an aqueous subphase. The optical laser tweezers and the piezo controller are used to trap an individual polystyrene microsphere in water and forcibly transfer it to the interface in the vertical direction. Addition of an electrolyte (i.e., NaCl) in the aqueous subphase enables the particle to attach to the interface, whereas the particle escapes from the trap without the adsorption in the absence of the electrolyte. Based on the analytical calculations of the optical trapping force and the electrostatic disjoining pressure between the particle and the oil-water interface, it is found that a critical energy barrier between them should exist. This study will provide a fundamental understanding for applications of colloidal particles as solid surfactants that can stabilize the immiscible fluid-fluid interfaces, such as emulsions (i.e., Pickering emulsions) and foams.
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문제 정의
본 연구에서는, 입자가 계면에 흡착되기 위한 조건을 광집게(optical laser tweezer)와 피에조(piezo controller)를 이용하여 조사할 것이고, 또한 이론적 계산을 통하여 이러한 흡착 현상을 본질적으로 이해하고자 한다. 실험 결과를 기술하기 전에, 본 연구에 사용된 실험 방법과 절차를 살펴본다.
본 연구에서는, 콜로이드 입자가 유체와 유체 사이의 계면으로 전이될 때 입자와 계면간의 정전기적 반발력의 영향에 대해 조사하였다. 수용액상에 전해질이 포함되어 있을 때, 표면 전하(surface charge)가 반대쪽 이온(counterions)에 의해 가려지기(screening) 때문에, 입자는 유체 계면에 자발적으로 전이된다.
가설 설정
이때 레이저의 방사력(radiation or scatting force)에 의해 입자의 질량 중심이 레이저의 초점보다 살짝 위에 위치하게 되는데, 그 변위가 굉장히 작기 때문에 무시할 수 있다[24,25]. 따라서, 입자가 물속에서 레이저에 의해서 트랩될 때, 레이저의 초점(LF)과 입자의 질량 중심(COM) 이 동일하다고 가정할 수 있다(Fig. 1에서 점선으로 된 원). 피에조에 의해서 입자가 계면 방향으로 이동하고, 계면으로의 전이가 일어나는 순간, 입자는 자발적으로 평형상태, 즉 90°의 접촉각을 이루기 위해 좀 더 위쪽으로 이동하게 된다(Fig.
제안 방법
97 frames/s)을 이용하여 입자가 이동하는 동안의 이미지를 얻는다. 이미지 분석 프로그램(ImageJ)을 이용하여 각각의 위치에서 입자의 밝기(brightness)에 대한 수치를 얻는다[23].
이론/모형
레이저 빔에 의해 발생되는 최대 힘은 레이 옵틱스 근사법(ray optics approximation)에 의해서 계산될 수 있는데, 레이저 파워가 P=150 mW일 때 대략 #≈70 pN이다[24,25].
후속연구
반대로 전해질을 포함하지 않을 경우에는, 광집게가 만들어 내는 최대 힘(maximumtrapping force)이 입자의 유체 사이의 반발력을 극복하지 못하고, 따라서 계면으로의 전이가 일어나지 않게 된다. 본 연구에서 얻어진 결과는, 고체 입자가 콜로이드 계면 활성제로 이용될 때, 발견될 수 있는 현상들을 근본적으로 이해하기 위해 활용될 수 있다는 점에서 그 중요성을 두고 있다. 앞으로의 연구는, 전해질의 양을 미세하게 조절하거나 혹은 입자의 모양 및 표면성질을 변화시킴으로써, 입자가 계면으로 전이될 수 있는 여러 가지 임계조건에 대해 포괄적으로 조사할 것이다.
본 연구에서 얻어진 결과는, 고체 입자가 콜로이드 계면 활성제로 이용될 때, 발견될 수 있는 현상들을 근본적으로 이해하기 위해 활용될 수 있다는 점에서 그 중요성을 두고 있다. 앞으로의 연구는, 전해질의 양을 미세하게 조절하거나 혹은 입자의 모양 및 표면성질을 변화시킴으로써, 입자가 계면으로 전이될 수 있는 여러 가지 임계조건에 대해 포괄적으로 조사할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유체의 계면은 무엇에 의해서 형성되는가?
유체의 계면은 기름(n-decane, Acros Organics, 99+%)과 물(Ultrapurified water, resistivity > 18.2 MΩ·cm)에 의해서 형성된다[16]. 이러한유체계면은필수적으로음전하를띄게되는데, 대략 ψ ≈ -80 mV임이 실험을 통해서 밝혀졌다[19].
콜로이드 입자는 유체의 계면에 어떤 영향을 미치는가?
콜로이드 입자(colloidal particles)는 두 개의 섞이지 않은 유체의 계면에 자발적으로 흡착하여 그 계면을 안정화 시킴으로써, 상 분리(phase separation), 유착(coalescence), 응집(flocculation) 등을 막는 역할을 할 수 있다[1]. 이러한 성질을 이용해서 콜로이드는 분자계면활성제(molecular surfactants)의 대체제인 고체 계면 활성제(solid surfactants)로 사용될 수 있다[2].
피커링 에멀젼을 사용하기 위해 노력 중인 산업 분야에는 어떤 것들이 있는가?
1907년 Pickering은 콜로이드가 연속상(continuous phase) 내에 존재하는 다른 종류의 유체 방울(droplets) 표면에 흡착되어서 안정한 에멀젼(emulsions)을 제조할 수 있다는 것을 발견했는데, 이러한 에멀젼을 피커링 에멀젼(Pickering emulsions)이라고 한다[3]. 현재, 이러한 형태의 에멀젼을 이용하여, 화장품, 의약품, 페인트, 세제 등 다양한 산업분야에 이용하려는 노력이 진행 중에 있다[1]. 최근에는, 피커링 에멀젼을 높은 온도에서 열처리를 함으로써, 입자와 입자 사이를 융합(sintering)시켜서 콜로이도좀(colloidosome)을 제조하고, 이를 약물전달(drug delivery)의 매개체로 사용하려는 노력이 있어왔다[4].
참고문헌 (26)
Binks, B. P., and Horozov, T. S., "Colloidal Particles at Liquid Interfaces," Cambridge University Press, New York(2006).
Binks, B. P., "Particles as Surfactants-Similarities and Differences," Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 7, 21-41(2002).
Binks, B. P. and Fletcher, P. D. I., "Particles Adsorbed at the Oil-Water Interface: A Theoretical Comparison between Spheres of Uniform Wettability and "Janus" Particles," Langmuir, 17, 4708-4710(2001).
Brugarolas, T., Park, B. J. and Lee, D., "Generation of Amphiphilic Janus Bubbles and Their Behavior at an Air-Water Interface," Adv. Funct. Mater., 21, 3924-3931(2011).
Aveyard, R., et al., "Measurement of Long-Range Repulsive Forces between Charged Particles at an Oil-Water Interface," Phys. Rev. Lett., 88, 246102-4(2002).
Park, B. J., et al., "Direct Measurements of the Effects of Salt and Surfactant on Interaction Forces between Colloidal Particles at Water-Oil Interfaces," Langmuir, 24, 1686-1694(2008).
Park, B. J., Vermant, J. and Furst, E. M., "Heterogeneity of the Electrostatic Repulsion between Colloids at the Oil-Water Interface," Soft Matter, 6, 5327-5333(2010).
Masschaele, K., et al., "Finite Ion-Size Effects Dominate the Interaction between Charged Colloidal Particles at an Oil-Water Interface," Phys. Rev. Lett., 105, 048303(2010).
Paunov, V. N. and Binks, B. P., "Analytical Expression for the Electrostatic Disjoining Pressure Taking into Account the Excluded Volume of the Hydrated Ions between Charged Interfaces in Electrolyte," Langmuir, 15, 2015-2021(1999).
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