We have studied the charge effect of a cationic surfactant (Dodecyl Trimethyl Ammonium Bromide: DTAB) on the structure and growth of a nonionic surfactant micelle (penta-ethyleneglycol mono n-dodecyl ether: $C_{12}E_5$). Hydrodynamic diameter($D_H$), aggregation number($N_{agg}$), micellization concentration(CMC), and second virial coefficient($A_2$) of the $C_{12}E_5$/DTAB mixed systems ranges from 100 mol% to 91 mol% have been measured by static and dynamic light scattering. Friction was also measured with a viscometer to analyze a value, $k_D$.
In a dilute regime the diffusion constant increases as the concentration of the micelle solution increases : an interaction potential is repulsive, and the repulsive potential produces a positive . The charged surfactant makes the interaction term of dominant, and thus the diffusion constant increases. When the mixing mole fraction of $C_{12}E_5$/DTAB is smaller than 95mol%, many charges insert in micelles, which makes the micelles disintegrate into monomers.
$C_{12}E_5$ type의 noninonic surfactant는 친수성인 head group과 소수성인 tail로 이루어져 있기 때문에 solution내에서 micelle을 형성한다. $C_{12}E_5$는 dilute regime에서 spherical-cylindrical shape의 마이셀을 형성하는데, 용액의 농도나 온도에 따라서 마이셀 성장이 일어나거나 구조가 변하게 된다. 이러한 시스템에 대한 연구가 많이 되어왔다. 여기서는 이 시스템에 head group에 charge를 띄는 cationic(or ionic) surfactant를 넣어줄 때 chared surfactant가 마이셀의 성장이나 구조에 미치는 중요한 역할을 알아보고자 한다. 이러한 연구는 약물 전달 시스템 혹은 유전자 전달 시스템에 대한 중요한 연구가 되며, 기능성 membrane 같은 biological system을 이해하는데 좋은 모델이 될 것이다.
Non-ionic/cationic surfactant system에서는 두 surfactant의 head group의 size와 charge, tail의 길이 등의 변수들이 많이 작용하게 된다. 우리는 cationic surfactant로 $C_{12}E_5$과 tail에 들은 C원소의 개수가 같고 head group size도 비슷한 DTAB을 사용함으로써 전하가 마이셀의 구조에 미치는 영향을 연구하고자 하였다.
$C_{12}E_5$ 마이셀 용액의 size는 엔트로피와 end-cap energy에 의해서 정해지는데, 농도가 증가함에 따라 size가 커지게 되어 diffusion constant가 감소하게 된다. 여기에 전하를 띈 surfactant를 넣어주게 되면, charge interaction 때문에 농도가 증가함에 따라 반대로 diffusion constant가 증가하게 된다.
우리는 실험에서 이러한 surfactant의 전하 효과를 알아보기 위해서 $C_{12}E_5$와 DTAB을 99mol%, 95mol%, 91mol%로 각각 섞어서 diffusion constant, aggregation number, C.M.C, second virial coefficient등을 광산란법을 이용하여 측정하였다. 또한 전하의 양에 따라 friction이 어떻게 변하는지 알아보기 위해 용액의 viscosity를 측정하였다.
실험결과에서 charged surfactant를 넣어주게 되면 repulsive potential을 가지게 되기 때문에, Debye 식에서 $(D_c=D_0(1+K_DC))K_D$ 값이 양수가 되고, diffusion constant가 농도에 따라 증가함을 확인할 수 있었다. 하지만 95mol%, 91mol%에서는 전하의 양이 많아짐에도 불구하고 $K_D$ 값이 99mol% 보다 작게 나와서 이 경우 charge interaction에 의한 현상으로만 보기 어려지게 된다. 그래서 마이셀 용액에 대한 보다 자세히 살펴보기 위해서 정적 광산란법을 이용해서 분자량과 second virial coefficient를 측정하였다. 또 viscosity도 측정하였지만, 위의 경향성을 설명할 수 없었다. 그래서 diffusion constant의 polydispesity와 doble exponent analysis를 한 결과 99mol%에서는 마이셀의 길이가 많이 변하지 않고 전하에 의한 효과로 diffusion constant가 증가하는 현상을 설명할 수 있지만, 95mol%이하에서는 전하가 많아지게 되어 마이셀들이 깨져서 monomer 상태로 용액 속에 존재하고 있음을 알았다. 이와 같은 결과는 위의 viscosity 데이터와 정적광산란에서의 결과와도 일치한다.
