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Investigating the morphological transitions in an associative surfactant ternary system

Résumé

Associative surfactants systems involving polar oils have recently been shown to stabilize immiscible liquids by forming nanostructures at the liquid interface and have been used to print soft materials. Although these associating surfactant systems show great promise for creating nanostructured soft materials, a fundamental understanding of the self-assembly process is still unknown. In this study, a ternary phase diagram for a system of cationic surfactant cetylpyridinium chloride monohydrate (CPCl), a polar oil (oleic acid), and water is established using experiment and simulation, to study the equilibrium phase behavior. A combination of visual inspection, small-angle X-ray scattering (SAXS), and rheological measurements was employed to establish the phase behavior and properties of the self-assembled materials. Dissipative particle dynamics (DPD) is used to simulate the formation of the morphologies in this system and support the experimental results. The ternary phase diagram obtained from the simulations agrees with the experimental results, indicating the robustness of the computational simulation as a supplement to the mesoscale experimental systems. We observe that morphological transitions (e.g., micelle-to-bilayer and vesicle-to-lamellar) are in agreement between experiments and simulations across the ternary diagram. DPD simulations correctly predict that associative surfactant systems form new nanoscale phases due to the co-assembly of the components. The established ternary phase diagram and the DPD model pave the way towards predicting and controlling the formation of different mesostructures like lamellar or vesicles, opening new avenues to tailor and synthesize desired morphologies for applications related to liquid-in-liquid 3D printing.

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Diagramme de phase
Un diagramme de phase, ou diagramme de phases, est une représentation graphique utilisée en thermodynamique, généralement à deux ou trois dimensions, représentant les domaines de l'état physique (ou phase) d'un système (corps pur ou mélange de corps purs), en fonction de variables, choisies pour faciliter la compréhension des phénomènes étudiés. Les diagrammes les plus simples concernent un corps pur avec pour variables la température et la pression ; les autres variables souvent utilisées sont l'enthalpie, l'entropie, le volume massique, ainsi que la concentration en masse ou en volume d'un des corps purs constituant un mélange.
Auto-assemblage
L’auto-assemblage, parfois rapproché de l'auto-organisation, désigne les procédés par lesquels un système désorganisé de composants élémentaires s'assemble et s'organise de façon spontanée et autonome, à la suite d'interactions spécifiques et locales entre ces composants. On parle d'auto-assemblage moléculaire lorsque les composants en question sont des molécules, mais l'auto-assemblage s'observe à différentes échelles, des molécules à la formation du système solaire et des galaxies en passant par l'échelle nanométrique.
Self-assembly of nanoparticles
Nanoparticles are classified as having at least one of three dimensions be in the range of 1-100 nm. The small size of nanoparticles allows them to have unique characteristics which may not be possible on the macro-scale. Self-assembly is the spontaneous organization of smaller subunits to form larger, well-organized patterns. For nanoparticles, this spontaneous assembly is a consequence of interactions between the particles aimed at achieving a thermodynamic equilibrium and reducing the system’s free energy.
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