Neutron reflection from wet interfaces

Abstract

Neutron reflection is one of the few newly developed techniques capable of probing structure at wet surfaces, i.e. air/liquid, solid/liquid and liquid/liquid interfaces. Although neutron scattering is not intrinsically sensitive to surfaces, the grazing incidence geometry of neutron reflection and the possibility of varying neutron refractive indices by isotopic substitution, particularly H/D substitution, make reflection extremely sensitive to selected parts of many interfacial layers. The technique is able to probe the average structure along the surface normal in a number of situations where the layer is too disordered or complex to be investigated by other methods. The application of neutron reflection to small molecules, surfactants, polymers and polymer–surfactant mixtures at the air/water interface, and examples of the behaviour of surfactants, proteins and polymers at the buried solid/liquid interface are described. Where appropriate the scope of neutron reflection relative to other new techniques is assessed.

References

1. J. B. Hayter, R. R. Highfield, B. J. Pullman, R. K. Thomas, A. I. McMullen and J. Penfold, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1, 1981, 97, 1437.
2. J. Penfold, R. M. Richardson, A. Zarbakhsh, J. W. P. Webster, D. G. Bucknall, A. R. Rennie, R. A. L. Jones, T. Cosgrove, R. K. Thomas, J. S. Higgins, P. D. I. Fletcher, E. J. Dickinson, S. J. Roser, I. A. McLure, A. R. Hillman, R. W. Richards, E. J. Staples, A. N. Burgess, E. A. Simister and J. W. White, J. Chem. Soc. Faraday Trans., 1997, 93, 3899.
3. O. S. Heavens, Optical Properties of Thin Solid Films, Dover, New York, 1965.
4. T. L. Crowley, Physica A, 1993, 195, 354.
5. J. R. Lu, E. M. Lee and R. K. Thomas, Acta Crystallogr. A, 1996, 52, 11.
6. Z. X. Li, J. R. Lu, D. A. Styrkas, R. K. Thomas, A. R. Rennie and J. Penfold, Mol. Phys., 1993, 80, 925.
7. S. W. An, J. R. Lu, R. K. Thomas and J. Penfold, Langmuir, 1996, 12, 2446.
8. Z. X. Li, R. K. Thomas, A. R. Rennie and J. Penfold, J. Phys. Chem. B, 1998, 102, 185.
9. J. M. Hicks, K. Kemnitz, K. B. Eisenthal and T. F. Heinz, J. Phys. Chem., 1986, 90, 560.
10. V. P. Sokhan and D. J. Tildesley, Faraday Discuss., 1996, 104, 193.
11. H. Gillier-Pandraud, Bull. Soc. Chim. Fr., 1967, 1988.
12. D. J. Lyttle, J. R. Lu, T. J. Su, R. K. Thomas and J. Penfold, Langmuir, 1995, 11, 1001.
13. J. R. Lu, Z. X. Li, R. K. Thomas and J. Penfold, J. Chem. Soc., Faraday Trans., 1996, 92, 403.
14. E. A. Simister, E. M. Lee, R. K. Thomas and J. Penfold, J. Phys. Chem., 1992, 96, 1373.
15. J. R. Lu, M. Hromadova, E. A. Simister, R. K. Thomas and J. Penfold, J. Phys. Chem., 1994, 98, 11519.
16. J. R. Lu, Z. X. Li, J. Smallwood, R. K. Thomas and J. Penfold, J. Phys. Chem., 1995, 99, 8233.
17. J. R. Lu, E. A. Simister, R. K. Thomas and J. Penfold, J. Phys. Chem., 1993, 97, 6024.
18. J. Bocker, M. Shlenkrich, P. Bopp and J. Brickmann, J. Phys. Chem., 1992, 96, 9915.
19. M. J. Schick, Nonionic Surfactants, in Surf. Sci. Ser. 27, Marcel Dekker, 1987.
20. J. R. Lu, Z. X. Li, T. J. Su, R. K. Thomas and J. Penfold, Langmuir, 1993, 9, 2408.
21. J. R. Lu, E. A. Simister, E. M. Lee, R. K. Thomas, A. R. Rennie and J. Penfold, Langmuir, 1992, 8, 1837.
22. J. R. Lu, E. M. Lee, R. K. Thomas, J. Penfold and S. L. Flitsch, Langmuir, 1993, 9, 1352.
23. J. R. Lu, M. Hromadova, R. K. Thomas and J. Penfold, Langmuir, 1993, 9, 2417.
24. J. R. Lu, Z. X. Li, R. K. Thomas, B. P. Binks, D. Crichton, P. D. I. Fletcher, J. R. McNab and J. Penfold, J. Phys. Chem., in press.
25. J. R. Lu, Z. X. Li, R. K. Thomas, E. Staples, I. Tucker and J. Penfold, J. Phys. Chem., 1993, 97, 8012.
26. J. R. Lu, Z. X. Li, R. K. Thomas, E. J. Staples, L. Thompson, I. Tucker and J. Penfold, J. Phys. Chem., 1994, 98, 6559.
27. J. R. Lu, T. J. Su, Z. X. Li, R. K. Thomas, E. J. Staples, I. Tucker and J. Penfold, J. Phys. Chem. B, 1997, 101, 10332.
28. C. Sarmoria and D. Blankschtein, J. Phys. Chem., 1992, 96, 1978.
29. D. K. Schwartz, M. L. Schlossman, E. H. Kawamoto, G. J. Kellogg, P. S. Pershan and B. M. Ocko, Phys. Rev. A, 1990, 41, 5687.
30. M. Tarek, D. J. Tobias and M. L. Klein, J. Phys. Chem., 1995, 99, 1393.
31. G. R. Bell, S. Manning-Benson and C. D. Bain, J. Phys. Chem. B, 1998, 102, 218.
32. E. J. Staples, L. Thompson, I. Tucker, J. Penfold, R. K. Thomas and J. R. Lu, Langmuir, 1993, 9, 1651.
33. J. Penfold, E. J. Staples, P. G. Cummins, I. Tucker, L. Thompson, R. K. Thomas, E. A. Simister and J. R. Lu, J. Chem. Soc., Faraday Trans., 1996, 92, 1773.
34. J. Penfold, E. J. Staples, P. G. Cummins, I. Tucker, R. K. Thomas, E. A. Simister and J. R. Lu, J. Chem. Soc., Faraday Trans., 1996, 92, 1549.
35. E. J. Staples, L. Thompson, I. Tucker and J. Penfold, Langmuir, 1994, 10, 4136.
36. J. R. Lu, I. P. Purcell, E. M. Lee, E. A. Simister, R. K. Thomas, A. R. Rennie and J. Penfold, J. Colloid Interface Sci., 1995, 174, 471.
37. J. D. Hines, G. Fragneto, R. K. Thomas, P. R. Garret, G. K. Rennie and A. R. Rennie, J. Colloid Interface Sci., 1997, 189, 259.
38. J. R. Lu, R. K. Thomas and J. Penfold, Adv. Colloid Interface Sci., in press.
39. J. R. Lu, R. K. Thomas, B. P. Binks, P. D. I. Fletcher and J. Penfold, J. Phys. Chem., 1995, 99, 4113.
40. E. M. Lee and J. E. Milnes, J. Appl. Crystallogr., 1995, 28, 518.
41. E. D. Goddard, Colloid. Surf., 1986, 19, 255.
42. B. Cabane, J. Phys. Chem., 1977, 81, 1639.
43. B. Cabane and R. Duplessix, J. Phys., 1982, 43, 1529.
44. M. N. Jones, J. Colloid Interface Sci., 1967, 23, 36.
45. J. R. Lu, J. A. K. Blondel, D. J. Cooke, R. K. Thomas and J. Penfold, Progr. Colloid Polym. Sci., 1996, 100, 311.
46. D. J. Cooke, C. C. Dong, J. R. Lu, R. K. Thomas, E. A. Simister and J. Penfold, J. Phys. Chem., in press.
47. D. J. Cooke, J. A. K. Blondel, J. R. Lu, R. K. Thomas, Y. L. Wang, B. X. Han, H. K. Yan and J. Penfold, Langmuir, in press.
48. G. J. Fleer, M. A. Cohen-Stuart, J. M. H. M. Scheutjens, T. Cosgrove and B. Vincent, Polymers at Interfaces, Chapman and Hall, 1993.
49. T. P. Russell, Mate. Sci. Rep., 1990, 5, 171.
50. R. K. Thomas, in Scattering Methods in Polymer Science, ed. R. W. Richards, Ellis Horwood, Chichester, 1995.
51. E. M. Lee, D. Kanelleas, J. E. Milnes, K. Smith, N. Warren, M. Webberley and A. R. Rennie, Langmuir, 1996, 12, 1270.
52. G. R. Bell, C. D. Bain, Z. X. Li, R. K. Thomas, D. C. Duffy and J. Penfold, J. Am. Chem. Soc., 1997, 119, 10227.
53. J. S. Phipps, R. M. Richardson, T. Cosgrove and A. Eaglesham, Langmuir, 1993, 9, 3530.
54. L. Dai, J. W. White, J. C. D. Kerr, R. K. Thomas, J. Penfold and M. Aldissi, Synth. Met., 1989, 28, 69.
55. J. W. White, J. C. D. Kerr, J. Penfold, P. M. Saville and R. K. Thomas, in Prog. Pacific Polym. Sci., ed. X. Ghiggino, Springer-Verlag, Berlin, 1994, p. 99.
56. M. S. Kent, L. T. Lee, B. Farnoux and F. Rondelez, Macromolecules, 1992, 25, 6240.
57. S. W. An and R. K. Thomas, Langmuir, 1997, 13, 6881.
58. S. W. An, T. J. Su, R. K. Thomas, F. L. Baines, N. C. Billingham, S. P. Armes and J. Penfold, J. Phys. Chem. B, 1998, 102, 387.
59. Z. Li, W. Zhao, J. Quinn, M. H. Rafailovich, J. Sokolov, R. B. Lennox, A. Eisenberg, X. Z. Wu, M. W. Kim, S. K. Sinha and M. Tolan, Langmuir, 1995, 11, 4785.
60. J. C. Meiners, A. Quintel-Ritzi, J. Mlynek, H. Elbs and G. Krausch, Macromolecules, 1997, 30, 4945.
61. S. Manne, J. P. Cleveland, H. E. Gaub, G. D. Stucky and P. K. Hansma, Langmuir, 1994, 10, 4409.
62. W. Ducker and L. M. Grant, J. Phys. Chem., 1996, 100, 3207.
63. R. Maoz and G. Sagiv, Langmuir, 1987, 3, 1034.
64. P. Somasundaram, T. W. Healy and D. W. Fuerstenau, J. Phys. Chem., 1961, 68, 3502.
65. D. C. McDermott, J. R. Lu, E. M. Lee, R. K. Thomas and A. R. Rennie, Langmuir, 1992, 8, 1204.
66. E. M. Lee, R. K. Thomas, P. G. Cummins, E. J. Staples, J. Penfold and A. R. Rennie, Chem. Phys. Lett., 1989, 162, 196.
67. A. R. Rennie, E. M. Lee, E. A. Simister and R. K. Thomas, Langmuir, 1990, 6, 1031.
68. D. C. McDermott, J. McCarney, R. K. Thomas and A. R. Rennie, J. Colloid Interface Sci., 1994, 162, 304.
69. G. Fragneto, R. K. Thomas, A. R. Rennie and J. Penfold, Langmuir, 1996, 12, 6036.
70. R. M. Pashley, P. M. McGuiggan, R. G. Horn and B. W. Ninham, J. Colloid Interface Sci., 1988, 126, 569.
71. F. Tiberg, B. Jonsson, J. Tang and B. Lindman, Langmuir, 1994, 10, 2294.
72. F. Tiberg, J. Chem. Soc., Faraday Trans., 1996, 92, 551.
73. S. Manne and H. E. Gaub, Science, 1995, 270, 1480.
74. G. Fragneto, D. C. McDermott, J. R. Lu, R. K. Thomas, A. R. Rennie, S. K. Satija and P. D. Gallagher, Langmuir, 1996, 12, 477.
75. R. K. Thomas, Progr. Colloid Polym. Sci., 1997, 103, 216.
76. G. Fragneto, Z. X. Li, R. K. Thomas, A. R. Rennie and J. Penfold, J. Colloid Interface Sci., 1996, 178, 531.
77. Z. X. Li, J. R. Lu and R. K. Thomas, Langmuir, 1997, 13, 3681.
78. Z. X. Li, J. R. Lu and R. K. Thomas, J. Phys. Chem. B, 1997, 101, 1615.
79. R. Maoz, J. Sagiv, D. Gegenhardt, H. Mohwald and P. Quint, Supramol. Sci., 1995, 2, 9.
80. P. N. Thirtle, Z. X. Li, R. K. Thomas, A. R. Rennie, S. K. Satija and L. P. Su, Langmuir, 1997, 13, 5451.
81. C. D. Bain, J. Chem. Soc., Faraday Trans., 1995, 91, 1281.
82. R. K. Thomas and J. Penfold, Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 1996, 1, 23.
83. T. P. Russell, Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 1996, 1, 107.
84. T. P. Russell, MRS Bull., 1996, 21, 49.
85. A. Karim, S. K. Satija, J. F. Douglas, J. F. Ankner and L. J. Fetters, Phys. Rev. Lett., 1994, 73, 3407.
86. E. B. Zhulina, O. V. Borisov, V. A. Pryamitsyn and T. M. Birshtein, Macromolecules, 1991, 24, 140.
87. P. K. Lai and K. Binder, J. Chem. Phys., 1992, 97, 586.
88. G. S. Grest and M. Murat, Macromolecules, 1993, 26, 3108.
89. P. Auroy, L. Auvray and L. Leger, Phys. Rev. Lett., 1991, 66, 719.
90. P. Auroy, L. Auvray and L. Leger, Macromolecules, 1991, 24, 2523.
91. P. Auroy, Y. Mir and L. Auvray, Phys. Rev. Lett., 1993, 69, 93.
92. P. Auroy and L. Auvray, J. Phys. II, 1993, 3, 227.
93. T. Cosgrove, J. Chem. Soc., Faraday, Trans., 1990, 86, 1323.
94. T. A. Horbett and J. L. Brash, Protein at Interfaces II, ACS Symp. Ser. 602, American Chemical Society, Washington, 1995.
95. C. A. Haynes and W. Norde, Colloid Surf. B, 1994, 2, 517.
96. K. Prime and G. M. Whitesides, Science, 1991, 252, 1164.
97. L. Feng and J. D. Andrade, J. Biomed. Mater. Res., 1994, 28, 735.
98. A. Ball and R. A. L. Jones, Langmuir, 1995, 11, 3542.
99. R. J. Rapola and T. A. Horbett, J. Colloid Interface Sci., 1990, 136, 480.
100. C. Malmsten, J. Colloid Interface Sci., 1994, 166, 333.
101. M. Wahlgren, T. Arnebrant and L. Lundstrom, J. Colloid Interface Sci., 1995, 175, 506.
102. G. Fragneto, R. K. Thomas, A. R. Rennie and J. Penfold, Science, 1995, 267, 657.
103. E. Dickinson, D. S. Horne, J. S. Phipps and R. M. Richardson, Langmuir, 1993, 9, 242.
104. T. J. Su, J. R. Lu, R. K. Thomas, Z. F. Cui and J. Penfold, Langmuir, 1998, 14, 438.
105. T. J. Su, J. R. Lu, R. K. Thomas, Z. F. Cui and J. Penfold, Biophys. J., submitted.
106. C. Tanford and R. Roxby, Biochemistry, 1972, 11, 2192.
107. R. K. Iler, The Chemistry of Silica, Wiley, New York, 1979.
108. C. A. Haynes, E. Sliwinski and W. Norde, J. Colloid Interface Sci., 1994, 164, 394.
109. J. McGuire, M. Wahlgren and T. Arnebrant, J. Colloid Interface Sci., 1995, 170, 182.
110. P. M. Claesson, E. Blomberg, J. C. Froberg, T. Nylander and T. Arnebrant, Adv. Colloid Interface Sci., 1995, 57, 161.
111. E. Blomberg, P. M. Claesson, J. C. Froberg and R. D. Tilton, Langmuir, 1994, 10, 2325.
112. J. R. Lu, T. J. Su, R. K. Thomas, A. R. Rennie and R. Cubitt, J. Colloid Interface Sci., submitted.
113. J. R. Lu, T. J. Su, R. K. Thomas, J. Penfold and R. W. Richards, Polymer, 1996, 37, 109.