界面レオロジー
Study of flow of matter at interfaces

界面レオロジーは、気体と液体の界面、または混ざり合わない2つの液体の界面における物質の流れを研究するレオロジーの一分野です。測定は、界面に界面活性剤、ナノ粒子、またはその他の表面活性化合物を存在させた状態で行われます。バルクレオロジーとは異なり、界面レオロジーではバルク相の変形は重要ではなく、その影響を最小限に抑えることが目的です。代わりに、表面活性化合物の流れが重要です。

界面の変形は、界面の大きさまたは形状を変化させることによって行うことができます。したがって、界面レオロジー法は、膨張レオロジー法とせん断レオロジー法の2つのカテゴリーに分けられます。

界面膨張レオロジー

膨張界面レオロジーのための脈動滴下法

膨張界面レオロジーでは、界面の大きさが時間とともに変化します。この変形過程における界面の表面応力または表面張力の変化を測定します。この応答に基づき、確立された理論に従って界面粘弾性を計算します。[1] [2]

| E | = d γ d l n A = A d γ d A {\displaystyle \left\vert E\right\vert ={d\gamma \over dlnA}=A{d\gamma \over dA}}

E ′ = | E | cos ⁡ δ {\displaystyle {\begin{aligned}E'&=\left\vert E\right\vert \cos \delta \end{aligned}}}

E ″ = | E | sin ⁡ δ {\displaystyle {\begin{aligned}E''&=\left\vert E\right\vert \sin \delta \end{aligned}}}

どこ

  • |E|は複素表面膨張係数である
  • γは界面の表面張力または界面張力である
  • Aは界面積である
  • δは表面張力と面積の位相角差である。
  • E' 'は弾性（貯蔵）係数である
  • E' ''は粘性（損失）係数である

膨張界面レオロジーの測定は、一般的には光張力計と脈動滴測定モジュールを組み合わせて行われます。表面活性分子を含むペンダント液滴を形成し、正弦波状に脈動させます。界面積の変化は分子間相互作用の変化を引き起こし、表面張力を変化させます。[3]典型的な測定方法としては、界面活性剤の反応速度論を調べるために溶液の周波数掃引を行うことが挙げられます。

不溶性界面活性剤に特に適した別の測定方法として、振動障壁モードのラングミュアトラフを用いる方法があります。この場合、界面積を制限する2つの障壁を正弦波状に振動させ、表面張力の変化を測定します。[4]

界面せん断レオロジー

ニードル法による界面せん断レオロジー

界面せん断レオロジーでは、測定中は界面積は一定です。代わりに、界面面積はせん断され、表面応力を測定できるようになります。式は膨張界面レオロジーと似ていますが、せん断弾性率は膨張法のようにEではなくGで表記されることが多いです。一般的に、GとEは等しくありません。[5]

界面レオロジー特性は比較的弱いため、測定装置にとって課題となります。高感度化のためには、バルク相の寄与を最小限に抑えながら、界面の寄与を最大化することが不可欠です。ブシネスク数Boは、測定法が界面粘弾性を検出する際の感度を表します。[5]

界面せん断レオロジーの実用化されている測定法には、磁気針法、回転リング法、回転双円錐法などがある[6] 。Brooksら[7]によって開発された磁気針法は、実用化されている方法の中で最も高いブシネスク数を有する。この方法では、細い磁気針を磁場を用いて界面で振動させる。この針の動きをカメラで追跡することで、界面の粘弾性特性を検出することができる。この方法は、分子または粒子の充填密度の関数として実験を実施できるようにするために、 ラングミュアトラフと組み合わせて使用​​されることが多い。

アプリケーション

界面活性剤は液体中に存在すると、液体-空気界面または液体-液体界面に吸着する傾向があります。界面レオロジーは、吸着された界面層の変形に対する応答を扱います。応答は層の構成に依存するため、界面レオロジーは、界面活性剤、泡、エマルジョンの開発など、吸着層が重要な役割を果たす多くの用途に関連しています。肺サーファクタントやマイバムなどの多くの生物系は、その機能性のために界面粘弾性に依存しています。[8]界面レオロジーは、これらの生理学的界面の構造と機能の関係、構成の逸脱が乳児呼吸窮迫症候群やドライアイ症候群などの疾患を引き起こす仕組みを理解するために利用されており、人工肺サーファクタントの代替品や点眼薬などの治療法の開発に役立っています。[9]

界面レオロジーは界面活性剤の動態を研究することを可能にし、吸着界面層の粘弾性特性はエマルジョンおよび泡の安定性とよく相関する。界面活性剤および界面活性ポリマーは、食品および化粧品産業においてエマルジョンおよび泡の安定化に用いられる。タンパク質は界面活性を有し、界面に吸着することで立体構造を変化させ、界面特性に影響を与える可能性がある。 [10]アスファルテンや樹脂などの天然界面活性剤は、原油用途において水-油エマルジョンを安定化させる。これらの界面活性剤の挙動を理解することで、原油分離プロセスを向上させることができる。また、石油回収効率の最適化にも寄与する。[11]

界面レオロジー測定中にバルク交換を可能にする特殊なセットアップは、吸着されたタンパク質や界面活性剤のpHや塩分濃度の変化に対する反応を調べるために使用されます。[12]これらのセットアップは、胃環境のようなより複雑な条件を模倣して、油水界面に吸着されたポリマーのin vitro置換または酵素加水分解を調べ、それぞれのエマルジョンが胃で消化される方法を理解するためにも使用できます。[13]

界面レオロジーは、液体-空気または液体-液体界面における細菌の吸着とバイオフィルム形成の試験を可能にする。 [14]

食品科学では、界面レオロジーはマヨネーズのようなエマルジョンの安定性[15]、エスプレッソの泡の安定性[16]、紅茶に形成される膜[17]、または紅茶キノコのバイオフィルムの形成を理解するために使用されました。[18]

参照

参考文献

  1. ^ ミラー、ラインハルト。 L. リジェーリ (リベロ) (2009)。界面レオロジー。ブリル。ISBN 978-90-04-17586-0. OCLC  907184149。{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  2. ^ Miller, Reinhard; Ferri, James K.; Javadi, Aliyar; Krägel, Jürgen; Mucic, Nenad; Wüstneck, Rainer (2010-05-01). 「界面層のレオロジー」. Colloid and Polymer Science . 288 (9): 937– 950. doi :10.1007/s00396-010-2227-5. ISSN  0303-402X. S2CID  93640525.
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