Toralf Patzlaff

Pikosekunden-Infrarotspektroskopie der ultraschnellen Abkühlung nanoskopischer Wassertropfen in Mikroemulsionen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 19.11.2002

Abstract
Es wurde mit Hilfe der zeitaufgelösten Pikosekunden-Infrarotspektroskopie die ultraschnelle Abkühlungsdynamik nanoskopischer Wassertropfen im Innern inverser Mizellen untersucht. Damit wurde ein neuartiges Verfahren zur strukturellen und thermodynamischen Charakterisierung solcher Systeme geschaffen. Betrachtet wurden n-Alkan/AOT/Wasser-Mikroemulsionen. Ein infraroter, ultrakurzer Anregungsimpuls wurde resonant zur OH-Streckschwingungsbande der Wassermoleküle (um 3400 cm-1) eingestrahlt und erzeugte eine transiente Änderung der Schwingungsbesetzung. Die Schwingungsrelaxation führte zu einem quasi-instantanen selektiven Aufheizen der Wassertropfen. Als Folge der Wärmeleitung aus den Wassertropfen heraus in das sie umgebende Lösungsmittel kühlten diese anschließend wieder ab. Um die Temperaturänderungen zu detektieren wurde gezeigt, dass Position und Form der OH-Streckschwingungsbande eine hohe thermische Sensibilität aufweisen. Eine Messung der Temperatur der Wassertropfen war somit über die Messung von Transmissionsänderungen möglich. Die vollständige numerische Simulation der Temperaturverläufe in einem Zeitfenster bis 3 ns gestattete u.a. die zuverlässige Größenbestimmung der inversen Mizellen. Systemparameter wie Tropfenkonzentration, Art des verwendeten Lösungsmittels sowie Polydispersität wurden auf theoretischer und experimenteller Basis diskutiert. Die experimentellen Daten zeigen zudem, dass das verwendete Messverfahren Zugriff auf die Phasendynamik inverser Mizellen auf mikroskopischer Ebene erlaubt.

The ultrafast cooling dynamics of nanoscopic water droplets in the interior of reversed micelles was investigated using time-resolved picosecond infrared pump-probe spectroscopy, thus demonstrating a new method for the characterization of structure and thermodynamics of such systems. n-Alkane/AOT/water microemulsions were observed. A picosecond infrared laser pulse was tuned to the centre frequency of the OH stretching band of the water molecules creating transient population changes. Vibrational relaxation led to a quasi-instantaneous selective heating of the water droplets accompanied by a subsequent cooling due to thermal diffusion into the solvent. Because of a high thermal sensitivity of position and shape of the OH stretching band temperature changes could be detected by measuring transmission changes. The numerical simulation of the full thermalization process turned out to be the basis for e.g. determining the droplet radii reliably. System parameters like droplet concentration, polydispersity and solvent nature and their influence on the thermalization behaviour were discussed on an empirical and theoretical background. The results of this work indicate that time-resolved picosecond infrared pump-probe spectroscopy is a suitable tool for probing phase dynamics of microemulsions on a microscopic scale.

Keywords:
Mikroemulsion, inverse Mizellen, AOT, Infrarot, Spektroskopie, ultraschnell, zeitaufgelöst, Wasser, Abkühlung, Temperatursprung

microemulsion, reversed micelles, AOT, infrared, spectroscopy, ultrafast, time-resolved, water, cooling, temperature jump

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Inhaltsverzeichnis
Inhalt (II-III)
1 Einleitung (1-3)
2 Theoretische Beschreibung (4-28)
3 Experimenteller Aufbau (29-39)
4 Wasser-in-Öl-Mikroemulsionen (40-87)
5 Zusammenfassung (88-90)
Literaturverzeichnis (91-96)