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系統識別號 U0026-1706201014191900
論文名稱(中文) 應用粒子追蹤之微流變技術探討單一聚電解質分子鏈的構象變化與膠體交互作用
論文名稱(英文) Application of Particle-Tracking Microrheology for Probing Conformation Changes of Single Polyelectrolyte Chain and Colloidal Interactions
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 化學工程學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Chemical Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生(中文) 林聖翔
研究生(英文) Sheng-Hsiang Lin
電子信箱 n3697127@mail.ncku.edu.tw
學號 n3697127
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 149頁
口試委員 指導教授-魏憲鴻
口試委員-詹正雄
口試委員-羅介聰
口試委員-張鑑祥
中文關鍵字 均方位移  本質黏度  聚電解質  分子鏈構象從較為蓬鬆的狀態因過度充電而變得較為緊實  再膨脹  多價反離子  誘導偶極 
英文關鍵字 mean-square displacement  intrinsic viscosity  polyelectrolyte  coil-globule transition  re-expansion  multivalent counterions  induced dipole 
學科別分類
中文摘要 本篇論文我們應用追蹤粒子之微流變技術對聚電解質溶液的微結構及膠體系統作一探討。藉由捕捉布朗粒子的均方位移且利用史托克-愛因斯坦方程式,測量出粒子的擴散係數,我們應用此技術顯示出聚電解質分子鏈於多價鹽溶液中之構象變化(第三、四章),而且也引起懸浮於液氣界面之膠體粒子進行非布朗運動的特性(第五章)。
本論文第三章,我們藉由分析稀薄狀態之聚電解質溶液(聚苯乙烯磺酸鈉)的本質黏度如何隨添加的三價鹽(氯化銦)溶液濃度改變,以了解多價反離子對單一聚電解質分子鏈構形的影響。我們發現造成分子鏈構象一連續的轉變過程,是決定於分子鏈本身的淨電荷,而淨電荷會隨著分子鏈上吸附的多價反離子多寡而改變。而此轉變過程,根據所添加的多價鹽溶液濃度高低可分為下列四個區域,(ⅰ) 帶電單體之間的靜電排斥力被遮蔽掉而開始收縮,(ⅱ) 帶電單體與鄰近反離子間的吸引力導致絨球狀的高分子團劇烈收縮成一小球狀態,(ⅲ) 過度充電後帶電單體彼此的排斥力使其開始膨脹成一絨球狀態的高分子團,(ⅳ) 溶液中過多的反離子造成滲透壓,此滲透壓造成高分子團第二次的收縮。此外,我們證實在(ⅱ)、(ⅲ)、(ⅳ)的構象變化是在過了中和點後因過度充電而造成,不能以經典的理論Flory – DeGennes theory 來解釋。
本論文第四章,我們延伸第三章的研究,觀察於高頻交流電場作用下分子鏈構象的變化。我們發現交流電場會造成分子鏈收縮。此效應不僅在中和點前,使絨球狀態的高分子團收縮成小球狀態的情形更明顯,同時於過度充電時,使高分子團再膨脹的趨勢更為劇烈。隨著交流電場的頻率較低,高分子團的收縮變得更為緊實,我們推測造成分子鏈收縮的原因可能來自於導電極化的貢獻,在高分子團上誘導偶極的方向與電場方向相反。
本論文第五章,我們觀察懸浮於液氣界面上膠體粒子之運動行為。我們發現這些粒子的移動較為平緩,而且出現有序的排列,有時以六角形的結構展開排列。我們同時也測量這些粒子的均方位移。我們初步的結果顯示這些粒子的運動並非為無規的布朗運動,而是由表面張力與粒子本身重量之平衡,使粒子達一平衡位置的周遭存在一局部能量的最小值,而此能量會影響粒子間的運動。而長時間下此粒子運動行為類似於彈簧的彈力鬆弛,而其原因我們推測是來自於當粒子偏離平衡位置時自由能微幅增加的貢獻。
英文摘要 In this thesis, we employ the particle-tracking microrheology technique to probe microstructures of polyelectrolyte solutions and colloidal systems. Through measuring the diffusion coefficient of trace particles from their mean-square displacements in conjunction of the Stokes-Einstein equation, we apply this technique to reveal how a polyelectrolyte changes its conformation in the presence of multivalent salts (in Chapters 3 and 4) as well as to elicit the non-Brownian characters of colloidal particles floating at the air-liquid interface (in Chapter 5).
In Chapter 3, by analyzing how the intrinsic viscosity of a dilute polyelectrolyte (sodium polystyrene sulfonate, NaPSS) solution changes with the concentration of added trivalent salts (indium chloride, InCl3), we are able to unravel non-trivial impacts of multivalent counterions on the conformation of a flexible polyelectrolyte at the single chain level. We identify that there exist distinct chain conformation transitions, depending critically upon the level of the added salts in determining the net charge of the chain due to absorption of the counterions. These transitions, in the order from low to high salt concentrations, are (i) coil shrinkage due to reduction of Debye electrostatic repulsion between uncompensated monomers, (ii) avalanche collapse from a swollen coil into a compact globule due to attraction between absorbed counterions and uncompensated monomers, (iii) re-expansion from a globule to a coil due to repulsion between overcharged monomers, and (iv) the secondary collapse due perhaps to osmotic pressures arising from excess salts outside the coil. In addition, we verify that the conformation changes in (ii), (iii), and (iv) actually take place in the overcharging regime beyond the neutral point and cannot be explained by the classical Flory - DeGennes theory.
In Chapter 4, we extend the study to examine how the chain conformation changes observed in Chapter 3 are mediated by high frequency AC electric fields. We find that effects of AC fields cause the chain to shrink. The effects not only trigger an earlier coil-globule transition before the neutral point, but also lead to more abrupt re-expansion of the chain in the overcharged regime. Together with the observation that a coil/globule becomes even smaller as the AC frequency is decreased, we speculate that the observed chain shrinkage might be attributed to conductive polarization over the coil/globule with the induced dipole moment in the opposite direction to the applied field.
In Chapter 5, we observe the motion of colloidal particles floating at the air-water interface. We find that these particles, though less mobile, appear more organized and sometimes can even form a hexagonal structure. We also measure the mean-square displacements of the particles. Our preliminary result suggests that the particle motion is non-Brownian in nature due to the existence of local energy minima around the particle equilibrium positions created by the balance of the particle weight to the supported surface tension forces. The long-time motion behavior suggests possible elastic relaxation due to a small increase in the free energy when the particles are slightly deviated from their equilibrium positions.
論文目次 摘要 i
Abstract iii
誌謝 vi
目錄 vii
表目錄 xiii
圖目錄 xiv
符號說明 xxi
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 微流變學(microrheology) 1
1.2 聚電解質(polyelectrolyte) 3
1.3 文獻回顧 3
1.3.1 添加多價鹽於聚電解質溶液中的現象 3
1.3.2 多價反離子對聚電解質分子鏈構象的影響 4
1.4 研究動機 6
第二章 基本原理 11
2.1 電雙層(Electrical double layer) 11
2.2 聚電解質的種類 13
2.3 聚電解質的特性 (Static Properties of Polyelectrolyte Polymers) 13
2.4 溶液性質 14
2.5 應用 14
第三章 應用粒子追蹤之微流變技術探討單一聚電解質分子鏈於多價鹽溶液中之構象變化 17
3.1 實驗 18
3.1.1 實驗基本思想 18
3.1.2 實驗裝置 19
3.1.3 工作溶液 19
3.1.4 實驗步驟 21
3.1.5 實驗準備相關細節 22
3.1.5.1明膠實驗 22
3.1.5.2水黏度測試 23
3.1.6 影像擷取軟體(honestech TVR)拍攝條件參數設定 24
3.1.7 影像分析軟體(IDL)操作流程與參數設定 25
3.2 因添加InCl3(Cs)所導致NaPSS溶液的黏度(η)變化 27
3.2.1 NaPSS單體濃度(Cm)的影響 27
3.2.2 NaPSS分子量(Mw)的影響 27
3.3 藉本質黏度(intrinsic viscosity)討論NaPSS分子鏈之構象變化 28
3.3.1 NaPSS單體濃度(Cm)及分子量(Mw)對ηr之影響 32
3.3.2 NaPSS單體濃度(Cm)及分子量(Mw)對[η]之影響 33
3.4 單一NaPSS分子鏈於InCl3溶液(Cs)中之構象改變過程 36
3.4.1探討NaPSS於Undercharging(Debye) Regime之尺度關係 36
3.4.2探討NaPSS過中和點後於Avalanche Collapse Regime之尺度關係42
3.4.3 單一NaPSS分子鏈於 Undercharging(Debye) Regime 中收縮(coil shrinkage) 之機制 46
3.4.4 單一NaPSS分子鏈於Overcharging Regime中急速萎縮(Avalanche Collapse)之機制 46
3.4.5 單一NaPSS分子鏈於Overcharging Regime再膨脹(re-expansion)與第二次收縮(secondary contraction)之機制 47
3.5 利用小角度X光散射探討NaPSS分子鏈構形及大小 49
3.6結論 51
第四章 探討於外加交流電場作用下單一聚電解質於多價鹽溶液中之構象變化 78
4.1 實驗 79
4.1.1設計概念 79
4.1.2 實驗裝置 79
4.1.3 實驗步驟 79
4.1.4 實驗相關細節 80
4.2 外加交流電場作用如何影響NaPSS溶液的黏度(η)變化 82
4.2.1 高低頻率的影響 82
4.2.2 觀察NaPSS分子量為125k時的影響 82
4.3 在交流電場作用下如何影響NaPSS溶液本質黏度[η]變化 84
4.3.1 高低頻的影響 84
4.3.2 觀察NaPSS分子量為125k時的影響 84
4.4 於低頻交流電場操作下NaPSS分子鏈於InCl3溶液中之構象改變 86
4.5 結論 90
第五章 應用追蹤粒子之微流變技術探討膠體粒子於液氣界面上的動態行為99
5.1實驗 99
5.1.1 實驗裝置 99
5.1.2 工作溶液 99
5.1.3 實驗步驟 100
5.1.4 實驗相關細節 101
5.1.5 影像處理軟體(Image-Pro)拍攝條件參數設定 101
5.1.5.A 影像處理軟體(Image-Pro)的影像擷取參數設定(圖5.2 (A))101
5.1.5.B 影像處理軟體(Image-Pro)的影像擷取時間設定(圖5.2 (B))102
5.2 實驗現象觀察 103
5.3 結論 104
第六章 結論與未來展望 109
6.1 結論 109
6.2 未來展望 111
參考文獻 112
附錄A 微電極系統之製作 115
A.1電極晶片製作 115
A.1.1電極光罩設計 115
A.1.2玻璃基材清洗 116
A.1.3金屬真空蒸鍍 117
A.1.4光微影製程(Photolithography) 117
A.2微流道光微影製程 122
A.2.1微流道光罩設計 122
A.2.2晶片清洗 122
A.2.3塗佈光阻 123
A.2.4軟烤(Soft Baking) 124
A.2.5曝光(Exposure) 125
A.2.6曝後烤(Post Expose Baking) 126
A.2.7顯影(Development) 126
A.2.8硬烤(Hard Baking) 127
A.3微流道製作 127
A.4實驗設備 129
附錄B IDL操作步驟 138
附錄C 均方位移公式推導 144
附錄D 藉Langevin equation推導均方位移 146
自述 149

參考文獻 Angelini, T. E., Liang, H., Wriggers, W., Wong, G. C. L. Proc. Natl.Acad. Sci. U.S.A., 2003, 100, 8634.
Basuray, S., Senapati, S., Aijian, A., Mahon, A. R., Chang, H. C. ACS Nano, 2009, 3, 1823.
Batchelor, G. K. J. Fluid Mech.,1977, 83, 97.
Boris, D. C., Colby, R. H. Macromolecules, 1998, 31, 5746.
Brilliantov, N. V., Kuznetsov D. V., Klein R. Phys. Rev. Lett., 1998, 81, 1433.
Crocker, J. C., Grier, C. G. J. Colloid Interface Sci., 1996, 179, 298.
De Gennes P. G. Scaling concepts in polymer physics, Ithaca, NY, Cornell University Press, 1979.
Dobrynin, A. V., Rubinstein, M. Prog. Polym. Sci., 2005, 30, 1049.
Dobrynin, A. V., Rubinstein, M., Obukhov,S. P. Macromolecules, 1996, 29, 2974.
Dobrynin, A. V., Colby, R. H., Rubinstein, M. Macromolecules, 1995, 28, 1859.
Dubois, E., Boue, F. Macromolecules, 2001, 34, 3684.
Ghezzi, F., Earnshaw, J. C., Finnis, M., McCluney, M. J. Colloid Interface Sci., 2000, 238, 433.
Gruner, F., Lehmann, W. P., Fahlbusch, H., Weber, R. J.Phys. A, 1981, 14, 307.
Grosberg, A. Yu., Nguyen, T. T., Shklovskii, B. I. Rev. Mod. Phys., 2002, 74, 329.
Hsiao, P. Y., Luijten, E. Phys. Rev. Lett., 2006, 97, 148301.
Jan, J. S., Breedveld, V. Macromolecules, 2008, 41, 6517.
Liao, Q., Dobrynin, A. V., Rubinstein, M. Macromolecules, 2006, 39, 1920.
Manning, G. S. J. Chem. Phys., 1969, 51, 924.
Nguyen, T. T., Grosberg, A. Yu., Shklovskii, B. I. Phys. Rev. Lett., 2000, 85, 1568.
Nikolaides, M. G., Bausch, A. R., Hsu, M. F., Dinsmore, A. D., Brenner, M. P., Gay, C., Weitz, D. A. Nature. 2002, 420, 299.
Phol, H. A. Dielectrophoresis, Cambridge University Press, 1978.
Plouraboue, F., Chang, H. C. Phys. Rev. A, 2009, 79, 041404.
Oosawa, F. Polyelectrolytes, Marcel Dekker, New York, 1971.
Schiessel, H., Pincus, P. Macromolecules, 1998, 31, 7953.
Sickert, M., Rondelez, F. Phys. Rev. Lett., 2003, 90, 126104.
Sickert, M., Rondelez, F., Stone, H.A. epl, 2007, 79, 66005.
Tanaka, M., Grosberg, A.Yu. J. Chem. Phys., 2001, 115, 567.
Tanaka,T. Phys. Rev. Lett., 1978, 40, 820.
Yossifon, G., Chang, H. C. Phys. Rev. Lett., 2008, 101, 254501.
Yossifon, G., Chang, Y. C., Chang, H. C. Phys. Rev. Lett., 2009, 103, 154502.
Jia, P. X., Zhao, J. J. Chem. Phys., 2009, 131, 231103.

魏憲鴻,應用粒子追蹤之微流變技術探討單一聚電解質分子鏈於多價鹽溶液中的構象變化,國立成功大學,2010。
陳信龍,鄭有舜,科儀新知,2007, 29, 18。
林宣甫,藉微米導線及旅波電場產生交流極化效應所引導之動態組裝,碩士論文,國立成功大學,2009。
李孟駿,以結合流動之介電泳操控次微米粒子運動的實驗探討,碩士論文,國立成功大學,2006。
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