Brownian dynamics of water confined in AOT reverse micelles: A field-cycling deuteron NMR relaxometry study

Reversed micelles and water in oil micro-emulsions can be used to solubilize biopolymers and genetic materials allowing analyzing their properties in a confined geometry. Nuclear Magnetic Resonance Dispersion (NMRD) provides a powerful and a noninvasive experimental technique to probe the long-term dynamics of these confined systems. However, the first step is to analyze and understand the slow dynamics of water inside these micro-reactors without any guest molecule. This is the aim of this presentation. Experimental results have been obtained for deuteron 2H NMRD of water confined in reverse micelles of bis (2-ethylhexyl) sodium sulfosuccinate (AOT) dispersed in isooctane C8H18. The water content is expressed as the molar ratio W0 = [Water]/[AOT]. The radius of the spherical reversed micelles, Rm, increases almost linearly with W0. In our case, W0 is chosen in the range 20 ≤ W0 ≤ 50 (35 ≤ Rm ≤ 80 Å). The frequency dependence for the spin-lattice relaxation rate R1(ω) exhibits two regimes, for all W0 values: a plateau at low frequency, proportional to 1/Rm, followed by the beginning of an algebraic decay. These experimental observations are discussed and compared to a numerical simulation of the intermittent Brownian diffusion of a water molecule inside a rotating reverse micelle. The possibility to probe some properties of the confinement, such as the localisation time on the sulfonated palisade and/or the water self-diffusion inside the water pool is emphasised.

RésuméLes micelles inverses sont des nano-gouttelettes d’eau thermodynamiquement stables qui peuvent être utilisées pour solubiliser des systèmes biologiques et d’étudier leurs propriétés physicochimique en confinement. La dispersion RMN est une technique non invasive, permettant l’étude de la dynamique lente de ces systèmes confinés. Cependant, dans un premier temps nous cherchons à comprendre la dynamique lente de l’eau confinée dans ces micelles inverses. Nous présentons les variations avec le champ magnétique des vitesses de relaxation spin-réseau R1 des deutérons de l’eau confinée dans des micelles inverses formées par le mélange d’un tensioactif bis (2-éthylhexyl) sodium sulfosuccinate (AOT), de l’isooctane et de l’eau. La quantité d’eau solubilisée est exprimée par le rapport des concentrations molaires W0 = [Water]/[AOT]. Le rayon aqueux Rm de ces micelles sphériques varie linéairement avec W0. Dans notre cas, W0 est compris entre 20 et 50 (35 ≤ Rm ≤ 80 Å). Les profils de dispersion RMN R1(ω) passent par deux régimes pour toutes les valeurs de W0: un plateau à basse fréquence, proportionnel à 1/Rm, suivi du début d’une décroissance en loi de puissance. Une simulation numérique de dynamique brownienne de molécules d’eau confinées dans des micelles inverses sphériques en rotation dans l’isooctane est proposée et comparée aux résultats expérimentaux. Cette simulation offre la possibilité d’étudier l’effet de confinement sur la diffusion interne de l’eau et/ou sur le temps de localisation des molécules d’eau sur la palissade sulfonatée.