توصيف البنية المجهرية للميكروسيلات الشبيهة بالديدان باستخدام علم الريولوجيا

مقدمة

تمثل خواص المذيلات الشبيهة بالديدان (WLMs) مجالًا بحثيًا رئيسيًا في كل من الأوساط الأكاديمية والصناعية. ويرجع ذلك في المقام الأول إلى حقيقة أن لها تطبيقات واسعة النطاق عبر مجموعة من الصناعات التي تتراوح من العناية الشخصية إلى استعادة النفط. فهي توفر طريقة بسيطة وفعالة من حيث التكلفة لتوليد لزوجة ومرونة لزوجة ملحوظة. يمكن تحويلها إلى هياكل "ذكية" أو هياكل مستجيبة للمحفزات يمكن أن تخضع للانتقال إلى مرحلة أخرى ذات انسيابية مختلفة بشكل لافت للنظر. هذه الاستجابة ذات أهمية كبيرة للتطبيقات الطبية الحيوية وتطبيقات توصيل الأدوية وأيضًا للفصل باستخدام أجهزة الموائع الدقيقة.

يمكن تكوين المذيلات الشبيهة بالديدان من مجموعة واسعة من أنظمة خافضات التوتر السطحي المختلفة (الأنيونية والكاتيونية والزيوتيريونية) وأيضًا من بوليمرات مشتركة مختلفة. والعامل الرئيسي المثير للاهتمام هو أنه على الرغم من إمكانية تكوينها من هذه المجموعة الواسعة من الأنواع الكيميائية، إلا أن استجابتها الانسيابية متشابهة بشكل لافت للنظر ولها بصمة انسيابية مميزة. لا تسمح التطورات النظرية، التي أصبحت الآن راسخة ومقبولة على نطاق واسع، بالكشف عن البنية (كما يتضح من خلال البصمة الانسيابية المميزة) فحسب، بل تسمح أيضًا باستخراج المعلمات الهيكلية المهمة.

وهذا يسمح للباحثين باكتساب نظرة ثاقبة حول كيفية تأثير ظروف التركيب المختلفة مثل مستوى الإلكتروليت أو الأس الهيدروجيني أو تركيبة الفاعل بالسطح على البنية المجهرية للمذيلات الشبيهة بالديدان المتكونة. تتشكل المذيلات الشبيهة بالديدان في الغالبية العظمى من الحالات من المواد الخافضة للتوتر السطحي، وهي جزيئات برمائية. واعتمادًا على معلمة تعبئة المواد الخافضة للتوتر السطحي، يمكن أن تتجمع المواد الخافضة للتوتر السطحي في مجموعة متنوعة من البنى المجهرية (انظر الجدول 1).

الجدول 1: تأثير بارامتر التعبئة على البنية المجهرية للسطح المتكون

عندما تكون معلمة التعبئة بين 1/2 و1/3، يمكن لجزيئات الفاعل بالسطح أن تنتظم في ترتيب يشبه القضيب على شكل مذيلات. واستنادًا إلى الديناميكا الحرارية، يمكن أن تستمر هذه المذيلات الشبيهة بالقضيب في النمو مع زيادة التركيز أو عند إضافة إلكتروليت أو مادة خافضة للتوتر السطحي إلى مذيلات تشبه الدودة ثم إلى بلورات سائلة نيماتية (الشكل 1).

تُظهر كل مرحلة من المراحل المختلفة الموضحة في الشكل 1 خصائص انسيابية مميزة. والبصمة الريولوجية الأكثر وضوحًا ووضوحًا هي البصمة الانسيابية شبه المخففة والمركزة الشبيهة بالمذيلات الدودية. ويمكن أيضًا تتبع التحولات من المخففة إلى شبه المخففة ومن المركزة إلى المراحل الدودية من خلال الريولوجيا.

ونظرًا لأنها البنى الأساسية لبناء الريولوجيا في مجموعة واسعة من التطبيقات المختلفة، فإن فهم بصمتها الريولوجية والتغيرات في بنيتها والريولوجيا المقابلة لها عند الإضافة/التغييرات في التركيبات هي رؤية رئيسية مرغوبة من قبل العلماء الأكاديميين والصناعيين على حد سواء. يمكن أن يوفر علم الريولوجيا رؤى محددة في نمو الميسيلار والتشابك والتفرع والتحولات المستحثة بالقص.

النظرية

تتشابه المذيلات الشبيهة بالديدان مع البوليمرات، فهي طويلة ومرنة، وتنتج اللزوجة واللزوجة المذهلة لها عن تشابك المذيلات الشبيهة بالديدان. وهناك سمتان بنيويتان رئيسيتان تتحكمان في استجابتها الانسيابية هما طول الكفاف L (مقياس المسافة من طرف إلى طرف) وطول الثبات lp (مقياس لمرونة المذيلات). وتتأثر مرونة النظام بطول الارتباط الهيدروديناميكي ξH للميسيل الشبيه بالدودة.

يمكن أن يحدث استرخاء الإجهاد في الميسيل الشبيه بالدودة، على غرار البوليمرات، عن طريق الارتداد (استرخاء الإجهاد من خلال حركة تشبه حركة الثعبان للبوليمر عبر أنبوب مكون من جيرانه، حتى يخرج من الأنبوب، وعندها يكون الإجهاد قد ارتخى تمامًا) وأيضًا عن طريق الانكسار وإعادة التشكيل.

ويعتمد زمن التكسير وإعادة التشكيل على الكسر الحجمي φ ويعطى بواسطة: τrep ~ ^L3φ3/4

يُعطى زمن التكسير/التشكيل بالعلاقة: _ττbreak ~ 1/L

عندما يكون _τbreak > _τrep، تتصرف المذيلات إلى حد كبير مثل البوليمرات غير القابلة للكسر، مع تعدد أسي للتشتت ويأخذ استرخاء الإجهاد الشكل

تجريبي

• في هذه التجربة، تم تقييم غسول جسم منظم على شكل دودة تشبه المذيلات من أجل تحديد زمن الاسترخاء وطول الارتباط الهيدروديناميكي.
• أُجريت قياسات مقياس الانسيابية الدورانية باستخدام مقياس الانسيابية Kinexus مع خرطوشة صفيحة بلتيير ^ونظام قياس مخروطي وصفيحة1، باستخدام تسلسلات قياسية معدة مسبقًا في برنامج rSpace.
• تم استخدام تسلسل تحميل قياسي لضمان خضوع العينة لبروتوكول تحميل متسق ويمكن التحكم فيه.
• تم إجراء جميع قياسات الريولوجيا عند درجة حرارة 25 درجة مئوية.
• تم إجراء اختبار اكتساح التردد بين 0.2 و40 راد/ثانية باستخدام قيمة إجهاد ضمن LVER.
• تم إنتاج مخطط كول-كول (رسم بياني ل G'' مقابل G') تلقائيًا من مسح التردد لتحديد ما إذا كان قد تم الحصول على الشكل شبه الدائري المميز (استجابة ماكسويل) للمذيلات الشبيهة بالدودة أم لا.
• استُخرجت قيم Gp و τ من بيانات المسح الترددي وحُسبت ξH من الأولى.

النتائج والمناقشة

يوضح الشكل 2 (أ) الاستجابة الترددية لـ G' و G'' لمنتج غسول الجسم في الشكل 2 (أ) ومخطط كول-كول المقابل في الشكل 2 (ب).

تتشابه البيانات الموضحة في الشكل 2 (أ) مع تلك المتوقعة لنموذج ماكسويل لزمن استرخاء واحد مع بداية هضبة في G' عند الترددات العالية (_Gp) وتقاطع في G'/G''' عند _ωc = 1/τ. ويؤكد الشكل نصف الدائري لمخطط كول-كول-كول سلوك ماكسويل. تتوافق معظم منتجات غسول الجسم البسيطة أو الشامبو الشفاف بشكل عام مع هذا السلوك، حيث إن بنية المذيلات الشبيهة بالدودة الناتجة عن مزيج من المواد الخافضة للتوتر السطحي الأنيونية والزيتونية في وجود الملح. في التركيبات الأكثر تعقيدًا، يمكن أن يؤدي وجود إضافات أخرى مثل العطور والعوامل اللؤلؤية إلى انحراف عن نظام المذيلات الشبيهة بالديدان المتشابكة تمامًا. إذا استمر هذا الانحراف في حالة عدم وجود أي مواد مضافة، فيمكن أن يعزى ذلك إلى تغيرات في البنية المجهرية وكفاءة هيكلة نظام الفاعل بالسطح. إن القدرة على تحقيق نظام مذيلات شبيهة بالديدان المتشابكة تمامًا عند مستويات منخفضة من المواد الخافضة للتوتر السطحي والأملاح أمر مرغوب فيه للغاية لأنه يعني وجود نظام هيكلة عالي الكفاءة.

الجدول 2: المعلمات الهيكلية المستخرجة من بيانات القياس باستخدام النظرية

تظهر المعلمات الهيكلية المقابلة المستخرجة باستخدام النظرية لهذا النظام في الجدول 2.

الاستنتاجات

تمثل خواص المذيلات الشبيهة بالديدان (WLMs) مجالاً بحثيًا رئيسيًا في كل من الأوساط الأكاديمية والصناعة، حيث يتم استخدامها في مجموعة واسعة من المنتجات والتطبيقات، ويعتمد الكثير منها بشكل حاسم على بنيتها المجهرية الأساسية. من خلال الجمع بين القياسات الانسيابية والفهم النظري، تبين أنه من الممكن استخلاص معلمات البنية المجهرية الرئيسية بما في ذلك زمن الاسترخاء وطول الارتباط الهيدروديناميكي الذي يعتبر خاصية مميزة وواصفة للمادة وسلوكها الانسيابي.

يُرجى ملاحظة أنه يمكن أيضًا استخدام هندسة الصفيحة المتوازية أو الهندسة الأسطوانية. يوصى أيضًا باستخدام مصيدة المذيبات في هذه الاختبارات نظرًا لأن تبخر المذيب (مثل الماء) حول حواف نظام القياس يمكن أن يبطل الاختبار، خاصةً عند العمل في درجات حرارة أعلى.