Molecular-thermodynamic modelling of bilayer perforation and formation of a spatial network in solutions of ionic surfactants

Abstract

Применимость классических молекулярно-термодинамических моделей для описания агрегатов сложных форм, таких как перфорированные бислои и пространственные сетки, ограничена. Основной сложностью в случае ионных поверхностно-активных веществ является отсутствие надежного аналитического описания электростатического вклада в свободную энергию. Основной задачей данной работы стало описание зависимости электростатического вклада от размера и формы перфорации. Впервые перфорация рассматривалась как трехмерный, а не двумерный объект. В качестве потенциала для перфорации был выбран потенциал открытого фрагмента заряженного тора. Такой фрагмент моделирует элемент ветвления в пространственной сетке, образованной червеобразными агрегатами. При помощи численного решения было показано, что для перфораций большого диаметра существенное влияние на распределение потенциала оказывает заряженная плоскость. Для перфораций малого диаметра следует учитывать наличие перекрывания двойных электрических слоев в центре. Для модельной системы CTAB - KBr - H2O были определены концентрационные области фонового электролита, в которых стабильны агрегаты различных форм. Было показано, как меняются эти области в зависимости от температуры и молекулярных параметров ПАВ. Также в работе приводится предположительный механизм стабилизации перфораций в бислое.

Classical molecular thermodynamic models are of limited use in case of aggregates of complex shapes, including perforated bilayers and bicontinuous networks. The main difficulty for ionic surfactants is a lack of reliable analytical formula for the electrostatic contribution into free energy. The main goal of the present work is to describe how the electrostatic potential depends on the size and shape of the perforation. For the first time perforation was considered as a three-dimensional object. A potential for the saddle-like open element of the charged torus was chosen as a potential of the perforation. This element models a junction in a bicontinuous network formed by wormlike aggregates. Numerical solution shows the great influence of the charged plane on the potential distribution for the perforations with large diameter. For the perforations with small diameter it is important to take into account the interpenetration of electrical double layers in the centre of the hole. For the model system CTAB - KBr - H2O salinity intervals of stable aggregate shapes were determined. The dependencies of salinity intervals on temperature and molecular parameters of the surfactant were also shown. The possible mechanism of stabilization of perforations in a bilayer was illustrated.