რამდენად კარგად იცით ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების დასველებისა და ხსნადობის ეფექტების შესახებ?

დასველების ეფექტი, მოთხოვნა: HLB: 7-9

დასველება განისაზღვრება, როგორც ფენომენი, როდესაც მყარ ზედაპირზე ადსორბირებული აირი ადგილმონაცვლეობს სითხით. ნივთიერებებს, რომლებსაც შეუძლიათ ამ გადაადგილების უნარის გაზრდა, დამასველებელი აგენტები ეწოდებათ. დასველება ზოგადად სამ ტიპად იყოფა: კონტაქტური დასველება (ადჰეზიური დასველება), ჩაძირვითი დასველება (იმერესიული დასველება) და გაშლილი დასველება (გაშლილი). ამათ შორის, გაშლილობა წარმოადგენს დასველების უმაღლეს სტანდარტს და გავრცელების კოეფიციენტი ხშირად გამოიყენება, როგორც ინდიკატორი სხვადასხვა სისტემას შორის დასველების შესრულების შესაფასებლად. გარდა ამისა, კონტაქტის კუთხე ასევე წარმოადგენს კრიტერიუმს დასველების ხარისხის შესაფასებლად. ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების გამოყენება შესაძლებელია თხევად და მყარ ფაზებს შორის დასველების ხარისხის გასაკონტროლებლად.

პესტიციდების ინდუსტრიაში, ზოგიერთი გრანულირებული ფორმულა და მტვრისებრი ფხვნილები ასევე შეიცავს ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების გარკვეულ რაოდენობას. მათი დანიშნულებაა პესტიციდის სამიზნე ზედაპირზე ადჰეზიისა და დეპონირების რაოდენობის გაუმჯობესება, გამოთავისუფლების სიჩქარის დაჩქარება და აქტიური ინგრედიენტების გავრცელების არეალის გაფართოება ტენიან პირობებში, რითაც იზრდება დაავადებათა პრევენციისა და მკურნალობის ეფექტურობა.

კოსმეტიკის ინდუსტრიაში ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებები ემულგატორებად მოქმედებენ და შეუცვლელი კომპონენტებია კანის მოვლის საშუალებებში, როგორიცაა კრემები, ლოსიონები, სახის გამწმენდები და მაკიაჟის მოსაშორებელი საშუალებები.

მიცელები და ხსნადობა,მოთხოვნები: C > CMC (HLB 13–18)

მინიმალური კონცენტრაცია, რომლის დროსაც ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების მოლეკულები ერთიანდებიან მიცელების წარმოსაქმნელად. როდესაც კონცენტრაცია აღემატება CMC მნიშვნელობას, ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების მოლეკულები ყალიბდებიან სფერული, ღეროსებრი, ლამელარული ან ფირფიტისებრი კონფიგურაციების სახით.

ხსნადობის სისტემები თერმოდინამიკური წონასწორობის სისტემებია. რაც უფრო დაბალია CMC და რაც უფრო მაღალია ასოციაციის ხარისხი, მით უფრო მაღალია დანამატის მაქსიმალური კონცენტრაცია (MAC). ტემპერატურის გავლენა ხსნადობაზე სამი ასპექტით აისახება: ის გავლენას ახდენს მიცელების წარმოქმნაზე, ხსნადი ნივთიერებების ხსნადობასა და თავად ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების ხსნადობაზე. იონური ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების შემთხვევაში, მათი ხსნადობა მკვეთრად იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად და ტემპერატურას, რომლის დროსაც ხდება ეს მკვეთრი მატება, კრაფტის წერტილი ეწოდება. რაც უფრო მაღალია კრაფტის წერტილი, მით უფრო დაბალია მიცელების კრიტიკული კონცენტრაცია.

პოლიოქსიეთილენის არაიონური ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების შემთხვევაში, როდესაც ტემპერატურა გარკვეულ დონემდე იმატებს, მათი ხსნადობა მკვეთრად ეცემა და ხდება ნალექი, რაც იწვევს ხსნარის მღვრიეობას. ამ ფენომენს ამღვრევა ეწოდება, ხოლო შესაბამის ტემპერატურას - ამღვრევის წერტილი. ერთი და იგივე სიგრძის პოლიოქსიეთილენის ჯაჭვის მქონე ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების შემთხვევაში, რაც უფრო გრძელია ნახშირწყალბადის ჯაჭვი, მით უფრო დაბალია ამღვრევის წერტილი; პირიქით, ერთი და იგივე სიგრძის ნახშირწყალბადის ჯაჭვის შემთხვევაში, რაც უფრო გრძელია პოლიოქსიეთილენის ჯაჭვი, მით უფრო მაღალია ამღვრევის წერტილი.

არაპოლარული ორგანული ნივთიერებები (მაგ., ბენზოლი) წყალში ძალიან დაბალი ხსნადობით ხასიათდება. თუმცა, ისეთი ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების დამატებამ, როგორიცაა ნატრიუმის ოლეატი, შეიძლება მნიშვნელოვნად გააძლიეროს ბენზოლის ხსნადობა წყალში - პროცესი, რომელსაც ხსნადობა ეწოდება. ხსნადობა განსხვავდება ჩვეულებრივი გახსნისგან: ხსნადი ბენზოლი ერთგვაროვნად არ არის გაფანტული წყლის მოლეკულებში, არამედ ხაფანგშია ოლეატის იონების მიერ წარმოქმნილ მიცელებში. რენტგენის დიფრაქციულმა კვლევებმა დაადასტურა, რომ ხსნადობის შემდეგ ყველა ტიპის მიცელა სხვადასხვა ხარისხით ფართოვდება, ხოლო საერთო ხსნარის კოლიგაციური თვისებები ძირითადად უცვლელი რჩება.

წყალში ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების კონცენტრაციის ზრდასთან ერთად, ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების მოლეკულები გროვდება სითხის ზედაპირზე და ქმნის მჭიდროდ შეკრულ, ორიენტირებულ მონომოლეკულურ ფენას. მოცულობით ფაზაში ჭარბი მოლეკულები აგრეგირდება მათი ჰიდროფობიური ჯგუფებით შიგნით მიმართული, რაც მიცელებს წარმოქმნის. მიცელის ფორმირების დასაწყებად საჭირო მინიმალური კონცენტრაცია განისაზღვრება, როგორც კრიტიკული მიცელის კონცენტრაცია (CMC). ამ კონცენტრაციის დროს, ხსნარი გადახრილია იდეალური ქცევისგან და ზედაპირული დაჭიმულობისა და კონცენტრაციის მრუდზე ჩნდება მკაფიო გადახრის წერტილი. ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების კონცენტრაციის შემდგომი გაზრდა აღარ შეამცირებს ზედაპირულ დაჭიმულობას; სამაგიეროდ, ხელს შეუწყობს მიცელების უწყვეტ ზრდას და გამრავლებას მოცულობით ფაზაში.

როდესაც ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების მოლეკულები ხსნარში იფანტებიან და კონცენტრაციის კონკრეტულ ზღურბლს აღწევენ, ისინი ცალკეული მონომერებიდან (იონებიდან ან მოლეკულებიდან) გაერთიანებულნი არიან კოლოიდურ აგრეგატებად, რომლებსაც მიცელები ეწოდებათ. ეს გადასვლა იწვევს ხსნარის ფიზიკურ და ქიმიურ თვისებებში მკვეთრ ცვლილებებს და კონცენტრაცია, რომლის დროსაც ეს ხდება, არის CMC. მიცელის წარმოქმნის პროცესს მიცელიზაცია ეწოდება.

ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების წყალხსნარებში მიცელების წარმოქმნა კონცენტრაციაზე დამოკიდებული პროცესია. უკიდურესად განზავებულ ხსნარებში წყალი და ჰაერი თითქმის პირდაპირ კონტაქტში არიან, ამიტომ ზედაპირული დაჭიმულობა მხოლოდ უმნიშვნელოდ მცირდება და სუფთა წყლის დაჭიმულობასთან ახლოს რჩება, ხოლო მოცულობით ფაზაში ძალიან ცოტა ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების მოლეკულაა გაფანტული. ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების კონცენტრაციის ზომიერად ზრდასთან ერთად, მოლეკულები სწრაფად ადსორბირდება წყლის ზედაპირზე, რაც ამცირებს წყალსა და ჰაერს შორის კონტაქტის არეს და იწვევს ზედაპირული დაჭიმულობის მკვეთრ ვარდნას. ამასობაში, მოცულობით ფაზაში არსებული ზოგიერთი ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების მოლეკულა აგრეგირდება მათი ჰიდროფობიური ჯგუფებით, რომლებიც მცირე მიცელებს წარმოქმნიან.

როდესაც კონცენტრაცია აგრძელებს ზრდას და ხსნარი აღწევს გაჯერების ადსორბციას, სითხის ზედაპირზე წარმოიქმნება მჭიდროდ შეფუთული მონომოლეკულური აპკი. როდესაც კონცენტრაცია აღწევს CMC-ს, ხსნარის ზედაპირული დაჭიმულობა მინიმალურ მნიშვნელობას აღწევს. CMC-ს მიღმა, ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების კონცენტრაციის შემდგომი ზრდა თითქმის არ მოქმედებს ზედაპირულ დაჭიმულობაზე; ამის ნაცვლად, ის ზრდის მიცელების რაოდენობას და ზომას მოცულობით ფაზაში. შემდეგ ხსნარში დომინირებს მიცელები, რომლებიც მიკრორეაქტორების როლს ასრულებენ ნანოფხვნილების სინთეზში. კონცენტრაციის გაგრძელებით, სისტემა თანდათან გადადის თხევად-კრისტალურ მდგომარეობაში.

როდესაც წყალხსნარის ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების კონცენტრაცია CMC-ს აღწევს, მიცელების წარმოქმნა კონცენტრაციის ზრდასთან ერთად შესამჩნევი ხდება. ეს ხასიათდება ზედაპირული დაჭიმულობის ლოგარითმული კონცენტრაციის მრუდის გადახრის წერტილით (γ–log c მრუდი), ხსნარში არაიდეალური ფიზიკური და ქიმიური თვისებების გამოვლენასთან ერთად.

იონური ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების მიცელები მაღალ ზედაპირულ მუხტებს ატარებენ. ელექტროსტატიკური მიზიდულობის გამო, კონტრიონები მიცელის ზედაპირს იზიდავენ, რაც დადებითი და უარყოფითი მუხტების ნაწილს ანეიტრალებს. თუმცა, მას შემდეგ, რაც მიცელები მაღალმუხტოვან სტრუქტურებს წარმოქმნიან, კონტრიონების მიერ წარმოქმნილი იონური ატმოსფეროს შემაკავებელი ძალა მნიშვნელოვნად იზრდება - თვისება, რომლის გამოყენებაც შესაძლებელია ნანოფხვნილების დისპერსიულობის რეგულირებისთვის. ამ ორი მიზეზის გამო, ხსნარის ეკვივალენტური გამტარობა სწრაფად მცირდება CMC-ს მიღმა კონცენტრაციის ზრდასთან ერთად, რაც ამ პუნქტს ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების კრიტიკული მიცელური კონცენტრაციის დასადგენად საიმედო მეთოდად აქცევს.

იონური ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების მიცელების სტრუქტურა, როგორც წესი, სფერულია და შედგება სამი ნაწილისგან: ბირთვი, გარსი და დიფუზური ელექტრული ორმაგი ფენა. ბირთვი შედგება ჰიდროფობული ნახშირწყალბადების ჯაჭვებისგან, თხევადი ნახშირწყალბადების მსგავსი, დიამეტრით დაახლოებით 1-დან 2.8 ნმ-მდე. პოლარული თავის ჯგუფების მიმდებარე მეთილენის ჯგუფებს (-CH₂-) აქვთ ნაწილობრივი პოლარობა, რაც ინარჩუნებს წყლის მოლეკულების ნაწილს ბირთვის გარშემო. ამრიგად, მიცელის ბირთვი შეიცავსსაკმაოდ დიდი რაოდენობით ჩარჩენილი წყალია და ეს -CH₂- ჯგუფები სრულად არ არის ინტეგრირებული სითხის მსგავს ნახშირწყალბადის ბირთვში, არამედ წარმოადგენენ არათხევადი მიცელის გარსის ნაწილს.

მიცელური გარსი ასევე ცნობილია, როგორც მიცელ-წყლის ინტერფეისი ან ზედაპირული ფაზა. ის არ გულისხმობს მიცელებსა და წყალს შორის მაკროსკოპულ ინტერფეისს, არამედ მიცელებსა და მონომერულ წყალხსნარ ზედაპირულად აქტიურ ნივთიერებას შორის არსებულ რეგიონს. იონური ზედაპირულად აქტიური მიცელების შემთხვევაში, გარსი წარმოიქმნება ელექტრო ორმაგი ფენის ყველაზე შიდა შტერის (ანუ ფიქსირებული ადსორბციული ფენის) მიერ, რომლის სისქე დაახლოებით 0.2-დან 0.3 ნმ-მდეა. გარსი შეიცავს არა მხოლოდ ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების იონურ თავურ ჯგუფებს და შეკავშირებული კონტრიონების ნაწილს, არამედ ჰიდრატაციის ფენასაც, რაც ამ იონების ჰიდრატაციის შედეგია. მიცელური გარსი არ არის გლუვი ზედაპირი, არამედ „უხეში“ ინტერფეისია, რაც ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების მონომერული მოლეკულების თერმული მოძრაობით გამოწვეული რყევების შედეგია.

არაწყლიან (ზეთზე დაფუძნებულ) გარემოში, სადაც ზეთის მოლეკულები ჭარბობს, ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების ჰიდროფილური ჯგუფები შიგნით აგრეგირდება პოლარული ბირთვის შესაქმნელად, ხოლო ჰიდროფობიური ნახშირწყალბადის ჯაჭვები მიცელის გარეთა გარსს ქმნის. ამ ტიპის მიცელას ჩვეულებრივ წყლიან მიცელებთან შედარებით შებრუნებული სტრუქტურა აქვს და ამიტომ მას შებრუნებული მიცელა ეწოდება; ამის საპირისპიროდ, წყალში წარმოქმნილ მიცელებს ნორმალური მიცელები ეწოდება. სურათი 4 გვიჩვენებს არაწყლიან ხსნარებში ზედაპირულად აქტიური ნივთიერებების მიერ წარმოქმნილი შებრუნებული მიცელების სქემატურ მოდელს. ბოლო წლებში, შებრუნებული მიცელები ფართოდ გამოიყენება ნანომასშტაბიანი წამლის მატარებლების სინთეზსა და მომზადებაში, განსაკუთრებით ჰიდროფილური პრეპარატების კაფსულაციისთვის.