आप सर्फेक्टेंट के गीलापन और घुलनशीलता प्रभावों के बारे में कितना जानते हैं?

गीलापन प्रभाव, आवश्यकता: एचएलबी: 7-9

वेटिंग को उस घटना के रूप में परिभाषित किया जाता है जिसमें ठोस सतह पर अधिशोषित गैस को द्रव द्वारा विस्थापित किया जाता है। ऐसे पदार्थ जो इस विस्थापन क्षमता को बढ़ा सकते हैं, वेटिंग एजेंट कहलाते हैं। वेटिंग को सामान्यतः तीन प्रकारों में वर्गीकृत किया जाता है: संपर्क वेटिंग (आसंजन वेटिंग), विसर्जन वेटिंग (इमर्शनल वेटिंग) और स्प्रेडिंग वेटिंग (स्प्रेडिंग)। इनमें से, स्प्रेडिंग वेटिंग का उच्चतम मानक है, और स्प्रेडिंग गुणांक का उपयोग अक्सर विभिन्न प्रणालियों के बीच वेटिंग प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए एक संकेतक के रूप में किया जाता है। इसके अलावा, संपर्क कोण भी वेटिंग की गुणवत्ता का आकलन करने का एक मानदंड है। द्रव और ठोस अवस्थाओं के बीच वेटिंग की मात्रा को नियंत्रित करने के लिए सर्फेक्टेंट का उपयोग किया जा सकता है।

कीटनाशक उद्योग में, कुछ दानेदार फॉर्मूलेशन और छिड़काव योग्य पाउडर में एक निश्चित मात्रा में सर्फेक्टेंट भी होते हैं। इनका उद्देश्य लक्षित सतह पर कीटनाशक के आसंजन और जमाव की मात्रा को बढ़ाना, रिलीज की दर को तेज करना और नम स्थितियों में सक्रिय तत्वों के फैलाव क्षेत्र को विस्तारित करना है, जिससे रोग निवारण और उपचार की प्रभावशीलता में वृद्धि होती है।

कॉस्मेटिक उद्योग में, सर्फेक्टेंट इमल्सीफायर के रूप में कार्य करते हैं और क्रीम, लोशन, फेशियल क्लींजर और मेकअप रिमूवर जैसे स्किनकेयर उत्पादों में अपरिहार्य घटक होते हैं।

माइसेल्स और घुलनशीलता,आवश्यकताएँ: C > CMC (HLB 13–18)

वह न्यूनतम सांद्रता जिस पर सर्फेक्टेंट अणु मिलकर माइसेल बनाते हैं। जब सांद्रता सीएमसी मान से अधिक हो जाती है, तो सर्फेक्टेंट अणु गोलाकार, छड़नुमा, परतदार या प्लेटनुमा संरचनाओं में व्यवस्थित हो जाते हैं।

घुलनशीलता प्रणालियाँ ऊष्मागतिक संतुलन प्रणालियाँ होती हैं। क्रांतिक माइसेल सांद्रता (CMC) जितनी कम और सहसंयोजन की डिग्री जितनी अधिक होगी, अधिकतम योजक सांद्रता (MAC) उतनी ही अधिक होगी। घुलनशीलता पर तापमान का प्रभाव तीन पहलुओं में परिलक्षित होता है: यह माइसेल निर्माण, घुलनशील पदार्थों की घुलनशीलता और स्वयं सर्फेक्टेंट की घुलनशीलता को प्रभावित करता है। आयनिक सर्फेक्टेंट के लिए, तापमान बढ़ने के साथ उनकी घुलनशीलता में तेजी से वृद्धि होती है, और जिस तापमान पर यह अचानक वृद्धि होती है उसे क्राफ्ट बिंदु कहा जाता है। क्राफ्ट बिंदु जितना अधिक होगा, क्रांतिक माइसेल सांद्रता उतनी ही कम होगी।

पॉलीऑक्सीएथिलीन नॉनआयनिक सर्फेक्टेंट के लिए, जब तापमान एक निश्चित स्तर तक बढ़ता है, तो उनकी घुलनशीलता तेजी से घट जाती है और अवक्षेपण होता है, जिससे विलयन धुंधला हो जाता है। इस घटना को धुंधलापन कहा जाता है, और संबंधित तापमान को क्लाउड पॉइंट कहते हैं। समान पॉलीऑक्सीएथिलीन श्रृंखला लंबाई वाले सर्फेक्टेंट के लिए, हाइड्रोकार्बन श्रृंखला जितनी लंबी होगी, क्लाउड पॉइंट उतना ही कम होगा; इसके विपरीत, समान हाइड्रोकार्बन श्रृंखला लंबाई के लिए, पॉलीऑक्सीएथिलीन श्रृंखला जितनी लंबी होगी, क्लाउड पॉइंट उतना ही अधिक होगा।

अध्रुवीय कार्बनिक पदार्थ (जैसे, बेंजीन) पानी में बहुत कम घुलनशील होते हैं। हालांकि, सोडियम ओलिएट जैसे सर्फेक्टेंट मिलाने से बेंजीन की पानी में घुलनशीलता काफी बढ़ जाती है—इस प्रक्रिया को घुलनशीलता कहते हैं। घुलनशीलता सामान्य विघटन से भिन्न होती है: घुलनशील बेंजीन पानी के अणुओं में समान रूप से नहीं फैलती, बल्कि ओलिएट आयनों द्वारा निर्मित माइसेल्स में फंसी रहती है। एक्स-रे विवर्तन अध्ययनों से यह पुष्टि हुई है कि घुलनशीलता के बाद सभी प्रकार के माइसेल्स अलग-अलग मात्रा में फैलते हैं, जबकि पूरे विलयन के सहसंयोजक गुणधर्म लगभग अपरिवर्तित रहते हैं।

पानी में सर्फेक्टेंट की सांद्रता बढ़ने पर, सर्फेक्टेंट अणु तरल की सतह पर जमा होकर एक सघन, व्यवस्थित एकआणविक परत बनाते हैं। मुख्य अवस्था में अतिरिक्त अणु अपने जल-विरोधी समूहों को अंदर की ओर करके एकत्रित होते हैं और माइसेल बनाते हैं। माइसेल निर्माण शुरू करने के लिए आवश्यक न्यूनतम सांद्रता को क्रांतिक माइसेल सांद्रता (सीएमसी) कहा जाता है। इस सांद्रता पर, विलयन आदर्श व्यवहार से विचलित हो जाता है, और सतह तनाव बनाम सांद्रता वक्र पर एक स्पष्ट मोड़ बिंदु दिखाई देता है। सर्फेक्टेंट की सांद्रता को और बढ़ाने से सतह तनाव कम नहीं होता; बल्कि, यह मुख्य अवस्था में माइसेल के निरंतर विकास और गुणन को बढ़ावा देता है।

जब सर्फेक्टेंट अणु किसी विलयन में फैलते हैं और एक विशिष्ट सांद्रता सीमा तक पहुँचते हैं, तो वे अलग-अलग मोनोमर (आयन या अणु) से जुड़कर माइसेल नामक कोलाइडल समूह बनाते हैं। यह परिवर्तन विलयन के भौतिक और रासायनिक गुणों में अचानक बदलाव लाता है, और जिस सांद्रता पर यह परिवर्तन होता है, उसे सीएमसी कहते हैं। माइसेल निर्माण की इस प्रक्रिया को माइसेलाइजेशन कहा जाता है।

जलीय सर्फेक्टेंट विलयनों में माइसेल्स का निर्माण सांद्रता पर निर्भर प्रक्रिया है। अत्यंत तनु विलयनों में, जल और वायु लगभग सीधे संपर्क में होते हैं, इसलिए पृष्ठ तनाव में मामूली कमी आती है और यह शुद्ध जल के पृष्ठ तनाव के लगभग बराबर रहता है, जिसमें बहुत कम सर्फेक्टेंट अणु समग्र अवस्था में बिखरे होते हैं। जैसे-जैसे सर्फेक्टेंट की सांद्रता मध्यम रूप से बढ़ती है, अणु तेजी से जल की सतह पर अधिशोषित हो जाते हैं, जिससे जल और वायु के बीच संपर्क क्षेत्र कम हो जाता है और पृष्ठ तनाव में अचानक गिरावट आती है। इसी बीच, समग्र अवस्था में कुछ सर्फेक्टेंट अणु अपने जल-विरोधी समूहों को संरेखित करके एकत्रित हो जाते हैं, जिससे छोटे माइसेल्स बनते हैं।

जैसे-जैसे सांद्रता बढ़ती जाती है और विलयन संतृप्ति अधिशोषण की स्थिति में पहुँच जाता है, द्रव की सतह पर एक सघन मोनोमॉलिक्यूलर फिल्म बन जाती है। जब सांद्रता CMC तक पहुँचती है, तो विलयन का पृष्ठ तनाव न्यूनतम हो जाता है। CMC से आगे, सर्फेक्टेंट की सांद्रता बढ़ाने से पृष्ठ तनाव पर नगण्य प्रभाव पड़ता है; इसके बजाय, यह बल्क फेज़ में माइसेल्स की संख्या और आकार को बढ़ा देता है। तब विलयन में माइसेल्स की प्रधानता हो जाती है, जो नैनोपाउडर के संश्लेषण में सूक्ष्म अभिकारकों के रूप में कार्य करते हैं। सांद्रता में निरंतर वृद्धि के साथ, प्रणाली धीरे-धीरे द्रव क्रिस्टलीय अवस्था में परिवर्तित हो जाती है।

जब किसी जलीय सर्फेक्टेंट विलयन की सांद्रता सीएमसी तक पहुँच जाती है, तो सांद्रता बढ़ने के साथ-साथ माइसेल्स का निर्माण स्पष्ट हो जाता है। इसकी विशेषता पृष्ठ तनाव बनाम लॉग सांद्रता वक्र (γ–log c वक्र) में एक मोड़ बिंदु है, साथ ही विलयन में गैर-आदर्श भौतिक और रासायनिक गुणों का उद्भव भी होता है।

आयनिक सर्फेक्टेंट माइसेल्स में उच्च सतह आवेश होता है। स्थिरवैद्युत आकर्षण के कारण, प्रतिआयन माइसेल की सतह की ओर आकर्षित होते हैं, जिससे धनात्मक और ऋणात्मक आवेशों का कुछ भाग उदासीन हो जाता है। हालांकि, एक बार जब माइसेल्स अत्यधिक आवेशित संरचनाएं बना लेते हैं, तो प्रतिआयनों द्वारा निर्मित आयनिक वातावरण का मंदक बल काफी बढ़ जाता है—इस गुण का उपयोग नैनोपाउडर की विक्षेपण क्षमता को समायोजित करने के लिए किया जा सकता है। इन दो कारणों से, समतुल्य चालकता सीएमसी से अधिक सांद्रता बढ़ने पर तेजी से घटती है, जिससे यह बिंदु सर्फेक्टेंट की क्रांतिक माइसेल सांद्रता निर्धारित करने का एक विश्वसनीय तरीका बन जाता है।

आयनिक सर्फेक्टेंट माइसेल्स की संरचना आमतौर पर गोलाकार होती है, जिसमें तीन भाग होते हैं: एक कोर, एक शेल और एक विसरित विद्युत द्विपरत। कोर हाइड्रोफोबिक हाइड्रोकार्बन श्रृंखलाओं से बना होता है, जो तरल हाइड्रोकार्बन के समान होती हैं, जिनका व्यास लगभग 1 से 2.8 एनएम तक होता है। ध्रुवीय शीर्ष समूहों के निकट स्थित मेथिलीन समूह (-CH₂-) आंशिक ध्रुवीयता रखते हैं, जिससे कोर के चारों ओर कुछ जल अणु बने रहते हैं। इस प्रकार, माइसेल कोर मेंइसमें काफी मात्रा में फंसा हुआ पानी होता है, और ये -CH₂- समूह तरल जैसे हाइड्रोकार्बन कोर में पूरी तरह से एकीकृत नहीं होते हैं, बल्कि गैर-तरल माइसेल शेल का हिस्सा बनते हैं।

माइसेल शेल को माइसेल-जल इंटरफ़ेस या सतही अवस्था भी कहा जाता है। यह माइसेल और जल के बीच के स्थूल इंटरफ़ेस को नहीं, बल्कि माइसेल और मोनोमेरिक जलीय सर्फेक्टेंट विलयन के बीच के क्षेत्र को संदर्भित करता है। आयनिक सर्फेक्टेंट माइसेल के लिए, शेल विद्युत द्विपरत की सबसे भीतरी स्टर्न परत (या स्थिर अधिशोषण परत) द्वारा निर्मित होता है, जिसकी मोटाई लगभग 0.2 से 0.3 एनएम होती है। शेल में न केवल सर्फेक्टेंट के आयनिक शीर्ष समूह और बंधे हुए प्रतिआयनों का एक भाग होता है, बल्कि इन आयनों के जलयोजन के कारण एक जलयोजन परत भी होती है। माइसेल शेल एक चिकनी सतह नहीं है, बल्कि एक "खुरदरी" इंटरफ़ेस है, जो सर्फेक्टेंट मोनोमर अणुओं की ऊष्मीय गति के कारण होने वाले उतार-चढ़ाव का परिणाम है।

गैर-जलीय (तेल-आधारित) माध्यमों में, जहाँ तेल के अणु प्रमुख होते हैं, सर्फेक्टेंट के हाइड्रोफिलिक समूह अंदर की ओर एकत्रित होकर एक ध्रुवीय कोर बनाते हैं, जबकि हाइड्रोफोबिक हाइड्रोकार्बन श्रृंखलाएँ माइसेल का बाहरी आवरण बनाती हैं। इस प्रकार के माइसेल की संरचना पारंपरिक जलीय माइसेल की तुलना में विपरीत होती है और इसलिए इसे रिवर्स माइसेल कहा जाता है; इसके विपरीत, पानी में बनने वाले माइसेल को सामान्य माइसेल कहा जाता है। चित्र 4 गैर-जलीय विलयनों में सर्फेक्टेंट द्वारा निर्मित रिवर्स माइसेल का एक योजनाबद्ध मॉडल दर्शाता है। हाल के वर्षों में, रिवर्स माइसेल का व्यापक रूप से नैनोस्केल दवा वाहकों के संश्लेषण और निर्माण में उपयोग किया गया है, विशेष रूप से हाइड्रोफिलिक दवाओं के एनकैप्सुलेशन के लिए।