Nuclear magnetic resonance studies of water self-diffusion in porous systems

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Ett poröst material är ett material med hålrum fyllda av gas eller vätska. Transport av molekyler genom ett poröst material beror på materialets struktur och har betydelse för områden som oljeutvinning, katalytisk avgasrening och blöjors uppsugningsförmåga. Porösa material vars struktur förändras beroende på vattenhalt är svåra att studera eftersom många av de traditionella metoderna endast går att använda på torra prover. Kärnmagnetisk resonans är en teknik som är väl lämpad för att studera material som är fyllda med vatten och andra vätskor. Metoden bygger på att vissa atomkärnor uppför sig som små magneter vars riktning kan manipuleras med hjälp av stora yttre magneter och radiovågor. Dessa verktyg kan användas för att undersöka molekylers struktur, samt även för att magnetiskt märka molekyler och mäta deras position eller förflyttning. Molekyler i gaser och vätskor är i ständig slumpmässig rörelse, en process som kallas diffusion efter latinets diffundo - sprida. Om molekylerna rör sig utan att stöta på några hinder kan deras utbredning beskrivas med en diffusionskoefficient vars värde beror på hur långt molekylerna sprider sig under en viss tid. Vattenmolekyler i flytande vatten förflyttar sig i genomsnitt cirka 0,1 mm under 1 s vid rumstemperatur. Genom att mäta hur långt molekyler som befinner sig i ett poröst material kan röra sig under en given tid får man information om materialets struktur. Diffusion genom ett poröst nätverk kan också beskrivas med en diffusionskoefficent, men denna är mindre än värdet för fritt vatten. Minskningen beror på materialets genomsläpplighet för vatten. Denna parameter är värdefull för att kunna förutsäga hur lätt eller svårt vatten och andra små molekyler kan ta sig genom materialet. Mitt arbete har gått ut på att vidareutveckla kärnmagnetisk resonans för undersökning av porösa material och utveckla metoder för att analysera experimenten. Speciell vikt har lagts på vattendiffusion i cellulosafibrer. Denna har betydelse för torkning av papper under papperstillverkning, papprets barriäregenskaper och upptagning av färg vid tryckning. En cellulosafiber i ett pappersark ser ut som en tilltryckt slang med en tjocklek på ungefär 0,05 mm. Fiberväggen består av en sammanflätad massa av stavformade mikrofibriller som har en tjocklek på cirka 10 nanometer (miljarddels meter). Mikrofibrillerna är i huvudsak riktade längs med fibern. Vatten fyller ut mellanrummen mellan mikrofibrillerna. Blekt papper består så gott som uteslutande av cellulosa. Ett antal olika tekniker föreslås för att kunna mäta fiberns fukthalt, om vattnet är inuti eller utanför fibern samt vattnets diffusion genom fiberväggen. Dessa tekniker är användbara även för andra system bestående av vatten i ett fast material av t ex stärkelse eller protein. Experimenten visar att vatten kan röra sig genom fiberväggen med en hastighet som beror starkt på fukthalten – ju högre vattenhalt, desto lättare har vattnet att förflytta sig eftersom porerna blir större och ”flaskhalsar” mellan mikrofibrillerna öppnas upp. Vattnet rör sig lättare längs med fibern beroende på mikrofibrillernas orientering. Om man lägger en bit blött papper i frysen blir vattnet till is. Sedan länge är det känt att en ansenlig mängd vatten som finns inuti de små hålrummen i fiberväggen inte fryser utan fortfarande existerar som vätska. Mina experiment utförda vid temperaturer under fryspunkten visar att det ”ofrusna” vattnet fortfarande kan förflytta sig genom fiberväggen. Utifrån denna observation är det troligt att detta vatten existerar som en tunn film mellan mikofibriller och is som bildats inuti fibern. Genom detta tunna skikt kan vattnet förflytta sig genom hela fiberväggen. Förståelse för hur vatten uppför sig vid låga temperaturer har praktisk betydelse för bevarande av mat genom djupfrysning och hur köldskador uppstår i byggnadsmaterial och vägar. Det uppmätta värdet på diffusionskoefficienten ger information om materialets struktur.