ما مدى معرفتك بتأثيرات المواد الخافضة للتوتر السطحي على الترطيب والذوبان؟

تأثير التبلل، المتطلبات: HLB: 7-9

يُعرَّف التبلل بأنه ظاهرة إزاحة الغاز الممتص على سطح صلب بواسطة سائل. وتُسمى المواد التي تُعزز هذه القدرة على الإزاحة عوامل التبلل. يُصنَّف التبلل عمومًا إلى ثلاثة أنواع: التبلل التلامسي (التبلل الالتصاقي)، والتبلل بالغمر (التبلل الغمري)، والتبلل بالانتشار (التبلل الانتشار). يُعدّ التبلل الانتشار أعلى مستويات التبلل، ويُستخدم معامل الانتشار غالبًا كمؤشر لتقييم أداء التبلل بين الأنظمة المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، تُعدّ زاوية التلامس معيارًا آخر لتقييم جودة التبلل. ويمكن استخدام المواد الفعالة سطحيًا للتحكم في درجة التبلل بين الطورين السائل والصلب.

في صناعة المبيدات، تحتوي بعض التركيبات الحبيبية والمساحيق القابلة للرش على كمية معينة من المواد الفعالة سطحياً. وتهدف هذه المواد إلى تحسين التصاق المبيد بالسطح المستهدف وزيادة كمية ترسبه عليه، وتسريع معدل إطلاقه، وتوسيع نطاق انتشاره في الظروف الرطبة، مما يعزز فعالية الوقاية من الأمراض وعلاجها.

في صناعة مستحضرات التجميل، تعمل المواد الخافضة للتوتر السطحي كمستحلبات وهي مكونات لا غنى عنها في منتجات العناية بالبشرة مثل الكريمات والمستحضرات ومنظفات الوجه ومزيلات المكياج.

المذيلات والذوبان,المتطلبات: C > CMC (HLB 13–18)

التركيز الأدنى الذي تتجمع عنده جزيئات المادة الفعالة سطحياً لتكوين المذيلات. عندما يتجاوز التركيز قيمة التركيز المذيل الحرج (CMC)، تترتب جزيئات المادة الفعالة سطحياً في هياكل مثل الكروية، أو العصوية، أو الصفائحية، أو الشبيهة بالصفائح.

تُعدّ أنظمة الإذابة أنظمةً متوازنةً ديناميكيًا حراريًا. كلما انخفض تركيز المذيلات الحرج (CMC) وزادت درجة الترابط، زاد الحد الأقصى لتركيز المادة المضافة (MAC). ينعكس تأثير درجة الحرارة على الإذابة في ثلاثة جوانب: فهي تؤثر على تكوين المذيلات، وذوبانية المواد المُذابة، وذوبانية المواد الفعالة سطحيًا نفسها. بالنسبة للمواد الفعالة سطحيًا الأيونية، تزداد ذوبانيتها بشكل حاد مع ارتفاع درجة الحرارة، وتُسمى درجة الحرارة التي يحدث عندها هذا الارتفاع المفاجئ بنقطة كرافت. كلما ارتفعت نقطة كرافت، انخفض تركيز المذيلات الحرج.

بالنسبة للمواد الخافضة للتوتر السطحي غير الأيونية من نوع بولي أوكسي إيثيلين، عندما ترتفع درجة الحرارة إلى مستوى معين، تنخفض ذوبانيتها بشكل حاد ويحدث ترسب، مما يؤدي إلى تعكر المحلول. تُعرف هذه الظاهرة بالتعكر، وتُسمى درجة الحرارة المقابلة لها بنقطة التعكر. بالنسبة للمواد الخافضة للتوتر السطحي ذات طول سلسلة بولي أوكسي إيثيلين نفسه، كلما زاد طول سلسلة الهيدروكربون، انخفضت نقطة التعكر؛ وعلى العكس، مع ثبات طول سلسلة الهيدروكربون، كلما زاد طول سلسلة بولي أوكسي إيثيلين، ارتفعت نقطة التعكر.

تتميز المواد العضوية غير القطبية (مثل البنزين) بانخفاض ذوبانها في الماء. مع ذلك، يُمكن إضافة مواد فعالة سطحية، مثل أوليات الصوديوم، لتعزيز ذوبان البنزين في الماء بشكل ملحوظ، وهي عملية تُعرف باسم الذوبان. يختلف الذوبان عن الذوبان العادي، إذ لا يتوزع البنزين المذاب بشكل متجانس في جزيئات الماء، بل يُحصر داخل المذيلات التي تُشكلها أيونات الأوليات. وقد أكدت دراسات حيود الأشعة السينية أن جميع أنواع المذيلات تتمدد بدرجات متفاوتة بعد الذوبان، بينما تبقى الخصائص التجميعية للمحلول ككل دون تغيير يُذكر.

مع ازدياد تركيز المواد الفعالة سطحياً في الماء، تتراكم جزيئات هذه المواد على سطح السائل لتشكل طبقة أحادية الجزيء متراصة وموجهة. تتجمع الجزيئات الزائدة في الطور السائل بحيث تتجه مجموعاتها الكارهة للماء نحو الداخل، مكونةً المذيلات. يُعرف الحد الأدنى من التركيز اللازم لبدء تكوين المذيلات بالتركيز المذيل الحرج (CMC). عند هذا التركيز، ينحرف المحلول عن السلوك المثالي، وتظهر نقطة انعطاف واضحة على منحنى التوتر السطحي مقابل التركيز. لن يؤدي رفع تركيز المادة الفعالة سطحياً إلى خفض التوتر السطحي، بل سيعزز النمو والتكاثر المستمر للمذيلات في الطور السائل.

عندما تتشتت جزيئات المواد الفعالة سطحياً في محلول وتصل إلى عتبة تركيز محددة، فإنها تتجمع من وحدات منفردة (أيونات أو جزيئات) لتكوين تجمعات غروانية تُسمى المذيلات. يُحدث هذا التحول تغيرات مفاجئة في الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمحلول، ويُعرف التركيز الذي يحدث عنده هذا التحول بالتركيز المذيل الحرج (CMC). تُسمى عملية تكوين المذيلات بالتكوّن المذيل.

يُعدّ تكوين المذيلات في محاليل المواد الفعالة سطحياً المائية عمليةً تعتمد على التركيز. في المحاليل المخففة للغاية، يكون الماء والهواء على اتصال مباشر تقريباً، لذا ينخفض ​​التوتر السطحي انخفاضاً طفيفاً فقط، ويبقى قريباً من توتر الماء النقي، مع وجود عدد قليل جداً من جزيئات المادة الفعالة سطحياً المنتشرة في المحلول. مع ازدياد تركيز المادة الفعالة سطحياً بشكل معتدل، تلتصق الجزيئات بسرعة بسطح الماء، مما يقلل مساحة التلامس بين الماء والهواء ويتسبب في انخفاض حاد في التوتر السطحي. في الوقت نفسه، تتجمع بعض جزيئات المادة الفعالة سطحياً في المحلول مع اصطفاف مجموعاتها الكارهة للماء، مُشكّلةً مذيلات صغيرة.

مع استمرار ارتفاع التركيز ووصول المحلول إلى حالة التشبع بالامتزاز، تتشكل طبقة أحادية الجزيء كثيفة على سطح السائل. وعندما يصل التركيز إلى التركيز الميكلي الحرج (CMC)، يصل التوتر السطحي للمحلول إلى أدنى قيمة له. بعد تجاوز التركيز الميكلي الحرج، لا يؤثر رفع تركيز المادة الفعالة سطحيًا إلا تأثيرًا طفيفًا على التوتر السطحي؛ بل يزيد من عدد وحجم المذيلات في الطور السائل. عندئذٍ، يهيمن على المحلول المذيلات، التي تعمل كمفاعلات دقيقة في عملية تصنيع المساحيق النانوية. ومع استمرار زيادة التركيز، يتحول النظام تدريجيًا إلى حالة بلورية سائلة.

عندما يصل تركيز محلول المادة الفعالة سطحياً في الماء إلى التركيز الحرج لتكوين المذيلات (CMC)، يصبح تكوين المذيلات واضحاً مع ازدياد التركيز. ويتسم هذا بنقطة انعطاف في منحنى التوتر السطحي مقابل لوغاريتم التركيز (منحنى γ–log c)، بالإضافة إلى ظهور خصائص فيزيائية وكيميائية غير مثالية في المحلول.

تحمل المذيلات الأيونية للمواد الفعالة سطحياً شحنات سطحية عالية. وبسبب التجاذب الكهروستاتيكي، تنجذب الأيونات المضادة إلى سطح المذيل، مما يُعادل جزءاً من الشحنات الموجبة والسالبة. مع ذلك، بمجرد أن تُشكّل المذيلات تراكيب عالية الشحنة، تزداد قوة كبح الغلاف الأيوني المُشكّل بواسطة الأيونات المضادة بشكل ملحوظ، وهي خاصية يُمكن استغلالها لضبط قابلية تشتت المساحيق النانوية. لهذين السببين، تنخفض الموصلية المكافئة للمحلول بسرعة مع ازدياد التركيز بعد تجاوز التركيز المذيل الحرج (CMC)، مما يجعل هذه النقطة طريقة موثوقة لتحديد التركيز المذيل الحرج للمواد الفعالة سطحياً.

تتخذ بنية المذيلات السطحية الأيونية شكلاً كروياً في الغالب، وتتألف من ثلاثة أجزاء: نواة، وغلاف، وطبقة كهربائية مزدوجة منتشرة. تتكون النواة من سلاسل هيدروكربونية كارهة للماء، تشبه الهيدروكربونات السائلة، ويتراوح قطرها من 1 إلى 2.8 نانومتر تقريباً. تمتلك مجموعات الميثيلين (-CH₂-) المجاورة للمجموعات القطبية قطبية جزئية، مما يسمح لها بالاحتفاظ ببعض جزيئات الماء حول النواة. وبالتالي، تحتوي نواة المذيلة علىتحتوي على كمية كبيرة من الماء المحتجز، وهذه المجموعات -CH₂- لا تندمج بشكل كامل في النواة الهيدروكربونية الشبيهة بالسائل ولكنها تشكل بدلاً من ذلك جزءًا من غلاف المذيلات غير السائل.

يُعرف غلاف المذيلات أيضًا باسم سطح التماس بين المذيلات والماء أو الطور السطحي. ولا يُشير هذا المصطلح إلى السطح الفاصل الكبير بين المذيلات والماء، بل إلى المنطقة الواقعة بين المذيلات ومحلول المادة الفعالة السطحية المائية أحادية الجزيء. بالنسبة لمذيلات المواد الفعالة السطحية الأيونية، يتكون الغلاف من طبقة ستيرن الداخلية (أو طبقة الامتزاز الثابتة) للطبقة المزدوجة الكهربائية، بسماكة تتراوح بين 0.2 و0.3 نانومتر. لا يحتوي الغلاف على رؤوس الأيونات للمواد الفعالة السطحية وجزء من الأيونات المضادة المرتبطة فحسب، بل يحتوي أيضًا على طبقة ترطيب ناتجة عن ترطيب هذه الأيونات. لا يُعد غلاف المذيلات سطحًا أملسًا، بل هو سطح تماس "خشن"، نتيجةً للتقلبات الناجمة عن الحركة الحرارية لجزيئات المادة الفعالة السطحية أحادية الجزيء.

في الأوساط غير المائية (الزيتية)، حيث تسود جزيئات الزيت، تتجمع المجموعات المحبة للماء في المواد الفعالة سطحياً نحو الداخل لتشكل نواة قطبية، بينما تشكل سلاسل الهيدروكربون الكارهة للماء الغلاف الخارجي للمذيل. يتميز هذا النوع من المذيلات ببنية معكوسة مقارنةً بالمذيلات المائية التقليدية، ولذلك يُطلق عليه اسم المذيل المعكوس؛ في المقابل، تُسمى المذيلات المتكونة في الماء بالمذيلات العادية. يوضح الشكل 4 نموذجًا تخطيطيًا للمذيلات المعكوسة المتكونة بواسطة المواد الفعالة سطحياً في المحاليل غير المائية. في السنوات الأخيرة، شاع استخدام المذيلات المعكوسة في تصنيع وتحضير حوامل الأدوية النانوية، ولا سيما لتغليف الأدوية المحبة للماء.