离子强度对水油界面电荷、分子结构和Zeta电位极大值影响的机理研究

The electric potential at liquid interfaces is a key parameter in studying molecular structures and dynamic processes of interfaces. These studies significantly influence the practical applications in food, medical, hygiene, agriculture, oil chemistry and related fundamental researches. Previously, the irregular maximum in ionic strength dependent Zeta potential curves of oil-water interfaces has been discussed a lot. Theoretical models including " preferential ion adsorption", "harry layer model" and " anomalous interfacial conductivity" have been introduced for understanding this " anomalous" observation. However, more experimental evidence is needed to tell the reliability of these models. We plan to study the influence of ionic strength on electric charge, molecular structures and maximum in Zeta potential curves of oil-water interfaces and understand its mechanism. We plan to use Zeta potential measurements to detect electric potential at shear layer of interfaces, use second harmonic generation to measure the potential at stern layer of interfaces and use sum frequency generation to analyze the structures of molecular groups at interfaces. This project aims to get detailed information on molecular structure and electric charge distribution of interfaces and to provide direct experimental evidence for better understanding the theory of electric double layers.

液体界面的电位是研究界面分子结构与相关动力学过程的一个关键参数，而此类研究在食品、医药卫生、农业、石油化工等领域的生产活动和相关基础研究中都会产生显著的影响。前人对水油界面Zeta电位随体系离子强度变化曲线中极大值的出现这个“反常”规律进行了很多研究并提出了“特异性离子吸附”、“发层模型”和“反常界面电导率”等理论模型对此进行理解，但是对这些模型的可靠性进行判别还需更多实验证据的支持。本研究计划结合Zeta电位对界面滑移层处电位的测量，二次谐波技术对界面斯特恩层内电位的探测，和频振动光谱技术对界面分子基团结构的研究这三种途径，综合分析体系离子强度对水油界面电荷、分子结构与Zeta电位曲线极大值的影响，对相关规律的产生机理进行研究。此研究有望得到一些界面分子层次的结构与电荷分布信息，为丰富和完善界面双电层理论提供直接的实验证据。

对液体中表界面的电位、界面分子/离子的结构与相关动力学过程的认识在生物、医药卫生和石油化工等领域的应用研究中具有重要的意义。以往的研究在界面电位与界面分子/离子的吸附密度和界面分子结构之间的关联方面还存在一些争议。本研究采用动态光散射技术对界面zeta电位进行了测量，使用二次谐波技术对界面分子/离子的有序结构（不对称分布状况）进行了探测，结合双光子荧光技术对界面生色团分子/离子的分布密度和化学环境变化的分析，综合讨论了体系离子强度、分子结构、亲疏水性能等因素变化对水油界面分子/离子结构与zeta电位的离子强度依赖曲线的影响，对相关规律的产生机理进行了探索。研究表明：在体系离子强度上升所产生的屏蔽效应影响下，界面吸附离子的进一步吸附导致了界面离子密度的上升，从而引起了具有共轭结构或者长链结构的分子间范德华作用力显著上升，此吸引力导致了离子的超额补偿，从而产生了zeta电位的异常上升。对于不具有共轭结构或者长链结构离子，这样的效应就不足以导致zeta电位的异常上升。此研究证实了zeta电位极大值的出现与界面分子/离子的进一步吸附相关，回答了以往文献中的争议，为丰富和完善界面双电层理论提供了直接的实验证据。同时，我们将以上研究推广到分子/离子在自组装双分子膜上的密度和动力学行为研究方面，得到了双分子膜的界面zeta电位与界面分子结构和行为之间的联系，为理解生命科学与药物开发研究中的界面动力学行为提供了依据。.通过本研究在本领域内国际主流杂志发表了学术论文10篇，培养了博士研究生2名，硕士研究生4名。