J. Phys. France 46, 2161-2178 (1985)
DOI: 10.1051/jphys:0198500460120216100

High resolution neutron scattering on ionic surfactant micelles : sds in water

B. Cabane¹, R. Duplessix² et T. Zemb<sup>3

1</sup>  Laboratoire de Physique des Solides, Université Paris Sud, 91405 Orsay, France
²  Centre de Recherches sur les Macromolécules, 6, rue Boussingault, 67083 Strasbourg, France
³  Département de Physico-Chimie, CEN-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France

Abstract
An improvement over previous determinations of the structure of sodium dodecyl sulfate micelles has been obtained from small angle neutron scattering. The experiment measures the average distribution of distances between all nuclei within a micelle, and also those between deuterium labels attached at positions ω or γ on the SDS chains. At low resolution (15 Å), only the average structure of the micelle is observed : this is a dense sphere containing N = 74 SDS molecules; the hydrocarbon core has a radius of 18.4 Å and contains less than one water molecule per SDS molecule. At high resolution (5 Å), fluctuations away from the average structure are observed. If the internal structure of the core is not resolved, one sees mainly the dispersion in the aggregation numbers (σ N/N = 0.33) or radii (σR/R = 0.1) of the micelle. When the distributions of distances between deuterium labels are observed, shape fluctuations show up through distortions of the internal structure : indeed the chain ends (ω) are not concentrated near a « centre » of the micelle, and the γ methylene groups do not remain in a spherical shell.

Résumé
On améliore la résolution obtenue en diffusion des neutrons aux petits angles pour déterminer la structure des micelles de dodécylsulfate de sodium dans l'eau. L'expérience mesure la distribution moyenne des distances entre tous les noyaux d'une micelle, ainsi que les distributions de distances entre des groupes deutérés attachés aux positions ω et γ des chaînes de SDS. A basse résolution (15 Å) on n'observe que la structure moyenne de la micelle : il s'agit d'une sphère contenant N = 74 molécules de SDS; son coeur hydrocarboné a un rayon de 18,4 Å ; il contient très peu d'eau, en tout cas moins qu'une molécule d'eau par molécule de SDS. A haute résolution (5 A) on voit surtout les fluctuations spontanées qui écartent la micelle de cette structure moyenne. Ces fluctuations produisent une dispersion des nombres d'agrégation (σ2/N2 = 0,1) et des déviations par rapport à la forme sphérique. La structure interne du coeur, mesurée par les distances entre groupes deutérés, est également distordue par chacune de ces fluctuations : les queues de chaînes (ω) ne sont pas concentrées près d'un « centre », et les méthylènes en position γ ne restent pas dans une coquille sphérique.

PACS
8270U - Surfactants, micellar solutions, vesicles, lamellae, amphiphilic systems, (hydrophilic and hydrophobic interactions).
6112E - Neutron scattering (including small-angle scattering).

Key words
colloids -- neutron diffraction examination of liquids -- organic compounds