J. Physique Lett. 46, 163-172 (1985)
DOI: 10.1051/jphyslet:01985004604016300

Deviations from the spontaneous curvature in surfactant films : effects on the second virial coefficient and interfacial properties of the microemulsions

L. Auvray

Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, Collège de France, 11, place Marcelin Berthelot, 75231 Paris Cedex 05, France

Abstract
One evaluates the contributions of the surfactant interfacial film bending energy first to the attractive interactions between droplets in dilute microemulsions and second to the interfacial tensions in triphasic Winsor systems far from the critical points. (1) In a dilute water in oil microemulsion where the water droplet curvature (defined as positive) is slightly larger than the interfacial film's spontaneous curvature C0, a possible fluctuation at thermodynamic equilibrium is the fusion of two droplets in a dimer of low curvature energy. This process gives an attractive contribution to the droplet second virial coefficient which is in good agreement with certain experimental observations. (2) The interface between a microemulsion and an excess phase, oil for example, is either closed by a flat Langmuir type surfactant film, in which case a wetting water layer separates the film and the microemulsion, or open, i.e. traversed by oil pores. The microemulsion surfactant film curvature is on average directed towards oil in the first case and towards water in the second case. We show by using the microemulsion random structure model proposed by de Gennes that, in the Winsor triphasic systems, the water/microemulsion interface evolves from the case « open » to the case « closed » and the oil/microemulsion from the case « closed » to the case « open », when the water salinity, i.e. C0, increases. When | C0 | is small, the two interfaces are « open » and the difference between the surface tensions of the two interfaces is proportional to C0. One recovers the result that this difference vanishes at the optimal salinity (C0 = 0).

Résumé
On évalue les contributions de l'énergie de courbure du film interfacial de tensioactifs aux interactions attractives entre gouttelettes dans les microémulsions diluées d'une part, et aux tensions interfaciales des systèmes triphasiques de Winsor loin des points critiques d'autre part. (1) Dans une microémulsion diluée d'eau dans l'huile où la courbure des gouttelettes d'eau (définie comme positive) est légèrement plus grande que la courbure spontanée C0 du film interfacial, une fluctuation possible à l'équilibre thermodynamique est l'union de deux gouttelettes en un dimère de faible énergie de courbure. Ce processus donne une contribution attractive au second coefficient du viriel entre gouttelettes en bon accord avec certaines observations expérimentales. (2) L'interface entre une microémulsion et une phase en excès, de l'huile par exemple, est soit fermée par un film plan de tensioactifs de type Langmuir, dans ce cas un film mouillant d'eau sépare le film et la microémulsion, soit ouverte, i.e. traversée par des pores d'huile. La courbure du film de tensioactifs de la microémulsion dans la région interfaciale est en moyenne dirigée vers l'huile dans le premier cas et vers l'eau dans le second cas. Nous montrons à l'aide du modèle de microémulsions aléatoires proposé par de Gennes, que, dans les systèmes triphasiques de Winsor, l'interface eau/microémulsion passe du cas « ouvert » au cas « fermé » et l'interface huile/microémulsion du cas « fermé » au cas « ouvert », quand la salinité de l'eau, i.e. C0, augmente. Cette évolution est en accord avec des expériences d'ellipsométrie. Quand | C0 | est petit, les deux interfaces sont « ouvertes » et la différence entre les tensions de surface des deux interfaces est proportionnelle à C0. On retrouve qu'à la salinité optimale (C0 = 0), cette différence est nulle.

PACS
6810C - Fluid surface energy surface tension, interface tension, angle of contact, etc..
8270K - Emulsions and suspensions.

Key words
drops -- emulsions -- liquid films -- surface tension -- water -- spontaneous curvature -- surfactant films -- second virial coefficient -- interfacial properties -- microemulsions -- surfactant interfacial film bending energy -- interfacial tensions -- triphasic Winsor systems -- water droplet curvature -- thermodynamic equilibrium -- dimer -- wetting water layer -- microemulsion random structure model -- water microemulsion interface -- oil microemulsion -- water salinity -- surface tensions -- optimal salinity