Numéro
J. Phys. France
Volume 49, Numéro 7, juillet 1988
Page(s) 1271 - 1293
DOI https://doi.org/10.1051/jphys:019880049070127100
J. Phys. France 49, 1271-1293 (1988)
DOI: 10.1051/jphys:019880049070127100

Viscoelastic relaxation of insoluble monomolecular films

J.C. Earnshaw, R.C. McGivern et P.J. Winch

The Department of Pure and Applied Physics, The Queen's University of Belfast, Belfast BT7 1NN, Northern Ireland


Abstract
Glycerol mono-oleate monolayers at the air-water interface have been investigated by quasielastic light scattering from thermally excited capillary waves over a wide range of wave numbers. Using a relatively novel data analysis procedure four surface viscoelastic properties were deduced ab initio from the light scattering data : surface elastic moduli and viscosities governing shear normal to the monolayer (≡ tension) and dilation in the film plane. The tension and dilational modulus were compared with classical, equilibrium values in the first rigorous comparison of its kind. Various effects suggested that the two moduli were affected by rather different relaxation processes : discrepancies between the light scattering and equilibrium values of the two elastic moduli occurred in different states of the monolayer, and the two surface viscosities (both zero for the clean subphase) behaved very differently on monolayer compression. These effects were observed to be frequency dependent. In the fully compressed monolayer state the transverse shear modulus was characterised by an exponential relaxation, of time scale ˜ 9 μs. This relaxation time fell exponentially on monolayer expansion, reaching 100 ns for molecular areas ˜ 60 Å 2. Slower processes than these were rigorously excluded. The dilational modulus was generally less well determined than that affecting transverse shear. However in the expanded monolayer state, the data sufficed to demonstrate much slower relaxation, τ ˜ 290 μs. Possible molecular mechanisms are briefly discussed.


Résumé
On étudie les monocouches du mono-oléate de glycérol à l'interface eau-air en utilisant les ondes capillaires excitées thermiquement qu'on observe dans une grande plage de nombres d'onde par diffusion quasi élastique de la lumière. Par une nouvelle procédure d'analyse des résultats on obtient ab initio 4 propriétés viscoélastiques de la surface : les modules élastiques de surface et les viscosités qui gouvement les cisaillements normaux à la monocouche (≡ tension) ainsi que la dilatation dans le plan de la couche. Ces mesures permettent la première comparaison rigoureuse des modules de tension et de dilatation avec leurs valeurs d'équilibre classiques. Plusieurs effets suggèrent que ces deux modules subissent des processus de relaxation différents : pour les modules élastiques on trouve des différences entre les valeurs dynamiques et statiques dans différents états de la monocouche, et pour les viscosités, on trouve des comportements différents suivant l'état de compression de la monocouche. Ces effets dépendent également de la fréquence. Dans la monocouche complètement comprimée, le module de cisaillement transverse est caractérisé par une relaxation exponentielle, avec un temps ˜ 9 μs. Ce temps de relaxation décroît exponentiellement lorsque la monocouche est dilatée, et atteint 100 ns pour des aires par molécule de 60 Å2. On peut exclure rigoureusement la présence de processus plus lents. Le module de dilatation est généralement moins bien déterminé que celui de cisaillement transverse ; toutefois, dans l' état dilaté de la monocouche, les données démontrent l'existence d'une relaxation beaucoup plus lente, vers τ ˜ 290 μs. On discute brièvement les mécanismes moléculaires associés à ces relaxations.

PACS
6803K - Dynamics (capillary waves).

Key words
capillary waves -- elastic moduli -- light scattering -- monolayers -- shear modulus -- viscoelasticity -- viscosity of liquids