सर्फॅक्टंट्सच्या वेटिंग आणि सोल्युबिलायझेशन परिणामांबद्दल तुम्हाला किती माहिती आहे?

ओलावाचा परिणाम, आवश्यकता: एचएलबी: ७-९

वेटिंग म्हणजे अशी घटना आहे, ज्यात घन पृष्ठभागावर शोषलेला वायू द्रवाद्वारे विस्थापित होतो. जे पदार्थ ही विस्थापन क्षमता वाढवू शकतात, त्यांना वेटिंग एजंट म्हणतात. वेटिंगचे सामान्यतः तीन प्रकारांमध्ये वर्गीकरण केले जाते: कॉन्टॅक्ट वेटिंग (ॲडहेशनल वेटिंग), इमर्शन वेटिंग (इमर्शनल वेटिंग), आणि स्प्रेडिंग वेटिंग (स्प्रेडिंग). यांपैकी, स्प्रेडिंग हे वेटिंगचे सर्वोच्च मानक दर्शवते आणि वेगवेगळ्या प्रणालींमधील वेटिंगच्या कामगिरीचे मूल्यांकन करण्यासाठी स्प्रेडिंग कोएफिशियंटचा अनेकदा एक निर्देशक म्हणून वापर केला जातो. याव्यतिरिक्त, वेटिंगच्या गुणवत्तेचे मूल्यांकन करण्यासाठी कॉन्टॅक्ट अँगल हा देखील एक निकष आहे. द्रव आणि घन अवस्थांमधील वेटिंगची पातळी नियंत्रित करण्यासाठी सर्फॅक्टंट्सचा वापर केला जाऊ शकतो.

कीटकनाशक उद्योगात, काही दाणेदार फॉर्म्युलेशन्स आणि धूळ म्हणून वापरल्या जाणाऱ्या पावडरमध्ये ठराविक प्रमाणात सर्फॅक्टंट्स देखील असतात. त्यांचा उद्देश लक्ष्यित पृष्ठभागावर कीटकनाशकाचे आसंजन आणि संचयन प्रमाण सुधारणे, ओलसर परिस्थितीत सक्रिय घटकांच्या विमोचनाचा दर वाढवणे आणि पसरण्याचे क्षेत्र विस्तारणे हा असतो, ज्यामुळे रोग प्रतिबंध आणि उपचारांची परिणामकारकता वाढते.

सौंदर्यप्रसाधन उद्योगात, सर्फॅक्टंट्स इमल्सिफायर म्हणून काम करतात आणि क्रीम, लोशन, फेशियल क्लीन्झर आणि मेकअप रिमूव्हर यांसारख्या त्वचेची काळजी घेणाऱ्या उत्पादनांमध्ये ते अविभाज्य घटक असतात.

मायसेल आणि विद्राव्यीकरण,आवश्यकता: C > CMC (HLB 13–18)

ज्या किमान सांद्रतेवर सर्फॅक्टंटचे रेणू एकत्र येऊन मायसेल तयार करतात. जेव्हा सांद्रता CMC मूल्यापेक्षा जास्त होते, तेव्हा सर्फॅक्टंटचे रेणू गोलाकार, दंडगोलाकार, पटलिकी किंवा प्लेटसारख्या रचनांमध्ये स्वतःची मांडणी करतात.

विद्राव्यीकरण प्रणाली या थर्मोडायनॅमिक समतोल प्रणाली आहेत. सीएमसी (CMC) जितका कमी आणि संयोगाची पातळी जितकी जास्त, तितकी कमाल अॅडिटिव्ह सांद्रता (एमएसी) जास्त असते. विद्राव्यीकरणावरील तापमानाचा परिणाम तीन बाबींमध्ये दिसून येतो: तो मायसेल निर्मिती, विद्राव्य पदार्थांची विद्राव्यता आणि स्वतः सर्फॅक्टंट्सच्या विद्राव्यतेवर प्रभाव टाकतो. आयनिक सर्फॅक्टंट्सच्या बाबतीत, वाढत्या तापमानाबरोबर त्यांची विद्राव्यता झपाट्याने वाढते आणि ज्या तापमानाला ही अचानक वाढ होते, त्या तापमानाला क्राफ्ट बिंदू (Krafft point) म्हणतात. क्राफ्ट बिंदू जितका जास्त, तितकी क्रांतिक मायसेल सांद्रता (critical micelle concentration) कमी असते.

पॉलिऑक्सिथिलीन नॉनआयनिक सर्फॅक्टंट्सच्या बाबतीत, जेव्हा तापमान एका विशिष्ट पातळीपर्यंत वाढते, तेव्हा त्यांची विद्राव्यता झपाट्याने कमी होते आणि अवक्षेपण होते, ज्यामुळे द्रावण गढूळ होते. या घटनेला 'क्लाउडिंग' (ढगाळ होणे) असे म्हणतात आणि संबंधित तापमानाला 'क्लाउड पॉइंट' (ढगाळ बिंदू) म्हटले जाते. समान पॉलिऑक्सिथिलीन साखळी लांबी असलेल्या सर्फॅक्टंट्समध्ये, हायड्रोकार्बन साखळी जितकी लांब असते, तितका क्लाउड पॉइंट कमी असतो; याउलट, समान हायड्रोकार्बन साखळी लांबीमध्ये, पॉलिऑक्सिथिलीन साखळी जितकी लांब असते, तितका क्लाउड पॉइंट जास्त असतो.

अध्रुवीय सेंद्रिय पदार्थांची (उदा., बेंझिन) पाण्यात विद्राव्यता खूप कमी असते. तथापि, सोडियम ओलिएटसारखे सर्फॅक्टंट्स टाकल्याने बेंझिनची पाण्यातील विद्राव्यता लक्षणीयरीत्या वाढू शकते—या प्रक्रियेला विद्राव्यीकरण (solubilization) म्हणतात. विद्राव्यीकरण हे सामान्य विरघळण्यापेक्षा वेगळे आहे: विरघळलेले बेंझिन पाण्याच्या रेणूंमध्ये एकसमानपणे विखुरलेले नसते, तर ते ओलिएट आयनांद्वारे तयार झालेल्या मायसेल्समध्ये (micelles) अडकते. एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) अभ्यासाने याची पुष्टी केली आहे की, विद्राव्यीकरणानंतर सर्व प्रकारचे मायसेल्स कमी-अधिक प्रमाणात विस्तारतात, तर संपूर्ण द्रावणाचे सहसंयुजी गुणधर्म (colligative properties) मोठ्या प्रमाणात अपरिवर्तित राहतात.

पाण्यातील सर्फॅक्टंटची सांद्रता वाढल्याने, सर्फॅक्टंटचे रेणू द्रवाच्या पृष्ठभागावर जमा होऊन एक दाट, दिशा-निर्देशित एकरेणवीय थर तयार करतात. मुख्य भागातील अतिरिक्त रेणू त्यांचे हायड्रोफोबिक गट आतल्या बाजूला करून एकत्र येतात आणि मायसेल तयार करतात. मायसेल निर्मिती सुरू करण्यासाठी आवश्यक असलेल्या किमान सांद्रतेला क्रांतिक मायसेल सांद्रता (CMC) असे म्हणतात. या सांद्रतेवर, द्रावण आदर्श वर्तनापासून विचलित होते आणि पृष्ठताण विरुद्ध सांद्रता वक्रावर एक विशिष्ट वळणबिंदू दिसतो. सर्फॅक्टंटची सांद्रता आणखी वाढवल्यास पृष्ठताण कमी होत नाही; उलट, त्यामुळे मुख्य भागातील मायसेलची सतत वाढ आणि गुणाकार होण्यास प्रोत्साहन मिळते.

जेव्हा सर्फॅक्टंटचे रेणू द्रावणात विखुरतात आणि एका विशिष्ट सांद्रतेच्या मर्यादेपर्यंत पोहोचतात, तेव्हा ते स्वतंत्र मोनोमर्सपासून (आयन किंवा रेणू) एकत्र येऊन मायसेल्स नावाचे कलिल समूह तयार करतात. या स्थित्यंतरामुळे द्रावणाच्या भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्मांमध्ये अचानक बदल घडतात आणि ज्या सांद्रतेवर हे घडते, तिला सीएमसी (CMC) म्हणतात. मायसेल निर्मितीच्या या प्रक्रियेला मायसेलायझेशन असे म्हणतात.

जलीय सर्फॅक्टंट द्रावणांमध्ये मायसेल्सची निर्मिती ही सांद्रतेवर अवलंबून असणारी प्रक्रिया आहे. अत्यंत विरल द्रावणांमध्ये, पाणी आणि हवा जवळजवळ थेट संपर्कात असतात, त्यामुळे पृष्ठताण केवळ किंचित कमी होतो आणि तो शुद्ध पाण्याच्या पृष्ठताणाच्या जवळपास राहतो, ज्यात मुख्य द्रावणात खूप कमी सर्फॅक्टंट रेणू विखुरलेले असतात. जशी सर्फॅक्टंटची सांद्रता मध्यम प्रमाणात वाढते, तसे रेणू पाण्याच्या पृष्ठभागावर वेगाने शोषले जातात, ज्यामुळे पाणी आणि हवेमधील संपर्क क्षेत्र कमी होते आणि पृष्ठताणामध्ये तीव्र घट होते. त्याच वेळी, मुख्य द्रावणातील काही सर्फॅक्टंट रेणू त्यांचे हायड्रोफोबिक गट संरेखित करून एकत्र येतात आणि लहान मायसेल्स तयार करतात.

जसजशी सांद्रता वाढत जाते आणि द्रावण संपृक्त अधिशोषणापर्यंत पोहोचते, तसतसा द्रवाच्या पृष्ठभागावर एक दाट एक-रेणवीय थर तयार होतो. जेव्हा सांद्रता CMC (संयुक्त सांद्रता नियंत्रण बिंदू) पर्यंत पोहोचते, तेव्हा द्रावणाचा पृष्ठताण त्याच्या किमान मूल्यावर पोहोचतो. CMC च्या पुढे, सर्फॅक्टंटची सांद्रता आणखी वाढवल्याने पृष्ठताणावर फारसा परिणाम होत नाही; उलट, त्यामुळे स्थूल अवस्थेतील मायसेल्सची संख्या आणि आकार वाढतो. त्यानंतर द्रावणावर मायसेल्सचे वर्चस्व निर्माण होते, जे नॅनोपावडरच्या संश्लेषणात सूक्ष्म-अभिक्रियाकारक (मायक्रो-रिॲक्टर) म्हणून काम करतात. सांद्रता सतत वाढत राहिल्याने, प्रणाली हळूहळू द्रव स्फटिक अवस्थेत रूपांतरित होते.

जेव्हा जलीय सर्फॅक्टंट द्रावणाची सांद्रता CMC पर्यंत पोहोचते, तेव्हा सांद्रता वाढल्याने मायसेल्सची निर्मिती अधिक ठळकपणे दिसून येते. हे पृष्ठताण विरुद्ध लॉग सांद्रता वक्रामधील (γ–log c वक्र) एका वळणबिंदूद्वारे, तसेच द्रावणामध्ये अ-आदर्श भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्मांच्या उदयाद्वारे दर्शविले जाते.

आयनिक सर्फॅक्टंट मायसेल्सवर उच्च पृष्ठभागीय प्रभार असतो. स्थिरविद्युत आकर्षणामुळे, काउंटरआयन्स मायसेलच्या पृष्ठभागाकडे आकर्षित होतात, ज्यामुळे धन आणि ऋण प्रभारांचा काही भाग निष्प्रभ होतो. तथापि, एकदा का मायसेल्सनी उच्च प्रभारित संरचना तयार केल्या की, काउंटरआयन्सद्वारे तयार झालेल्या आयनिक वातावरणाची रोधक शक्ती लक्षणीयरीत्या वाढते—हा एक असा गुणधर्म आहे ज्याचा उपयोग नॅनोपावडरची विखुरण्याची क्षमता समायोजित करण्यासाठी केला जाऊ शकतो. या दोन कारणांमुळे, सीएमसीच्या (CMC) पलीकडे सांद्रता वाढल्यास द्रावणाची समतुल्य चालकता वेगाने कमी होते, ज्यामुळे हा बिंदू सर्फॅक्टंट्सची क्रांतिकारक मायसेल सांद्रता (critical micelle concentration) निश्चित करण्यासाठी एक विश्वसनीय पद्धत ठरतो.

आयनिक सर्फॅक्टंट मायसेलची रचना सामान्यतः गोलाकार असते, जी तीन भागांनी बनलेली असते: एक गाभा (कोर), एक कवच (शेल) आणि एक विसरित विद्युत दुहेरी थर. गाभा हा द्रव हायड्रोकार्बनप्रमाणेच, हायड्रोफोबिक हायड्रोकार्बन साखळ्यांनी बनलेला असतो, ज्यांचा व्यास अंदाजे १ ते २.८ नॅनोमीटर असतो. ध्रुवीय शीर्ष गटांच्या लगतचे मिथिलीन गट (-CH₂-) आंशिक ध्रुवीयता धारण करतात, ज्यामुळे पाण्याचे काही रेणू गाभ्याभोवती टिकून राहतात. अशाप्रकारे, मायसेलच्या गाभ्यामध्ये पाण्याचे रेणू असतात.मोठ्या प्रमाणात अडकलेले पाणी असते, आणि हे -CH₂- गट द्रव-सारख्या हायड्रोकार्बन गाभ्यामध्ये पूर्णपणे समाकलित झालेले नसतात, तर त्याऐवजी अ-द्रव मायसेल कवचाचा भाग बनतात.

मायसेल शेलला मायसेल-पाणी इंटरफेस किंवा पृष्ठभागीय प्रावस्था असेही म्हणतात. हे मायसेल आणि पाण्यामधील स्थूल इंटरफेसचा संदर्भ देत नाही, तर मायसेल आणि मोनोमेरिक जलीय सर्फॅक्टंट द्रावणामधील क्षेत्राचा संदर्भ देते. आयनिक सर्फॅक्टंट मायसेलसाठी, हे शेल इलेक्ट्रिक डबल लेयरच्या सर्वात आतील स्टर्न लेयर (किंवा स्थिर अधिशोषण थर) द्वारे तयार होते, ज्याची जाडी सुमारे ०.२ ते ०.३ नॅनोमीटर असते. या शेलमध्ये केवळ सर्फॅक्टंटचे आयनिक हेड ग्रुप्स आणि बद्ध काउंटरआयन्सचा एक भागच नाही, तर या आयनांच्या हायड्रेशनमुळे तयार झालेला एक हायड्रेशन थर देखील असतो. मायसेल शेल हा एक गुळगुळीत पृष्ठभाग नसून, सर्फॅक्टंट मोनोमर रेणूंच्या औष्णिक गतीमुळे होणाऱ्या चढ-उतारांचा परिणाम असलेला एक "खरबरीत" इंटरफेस आहे.

गैर-जलीय (तेल-आधारित) माध्यमांमध्ये, जिथे तेलाच्या रेणूंचे प्राबल्य असते, तिथे सर्फॅक्टंट्सचे हायड्रोफिलिक गट आतल्या बाजूने एकत्र येऊन एक ध्रुवीय गाभा तयार करतात, तर हायड्रोफोबिक हायड्रोकार्बन साखळ्या मायसेलचे बाह्य कवच तयार करतात. या प्रकारच्या मायसेलची रचना पारंपरिक जलीय मायसेलच्या तुलनेत उलट असते आणि म्हणूनच याला रिव्हर्स मायसेल म्हणतात; याउलट, पाण्यात तयार होणाऱ्या मायसेलना नॉर्मल मायसेल म्हटले जाते. आकृती ४ मध्ये गैर-जलीय द्रावणांमध्ये सर्फॅक्टंट्सद्वारे तयार होणाऱ्या रिव्हर्स मायसेलचे एक योजनाबद्ध मॉडेल दाखवले आहे. अलिकडच्या वर्षांत, रिव्हर्स मायसेलचा वापर नॅनोस्केल औषध वाहकांच्या संश्लेषणात आणि निर्मितीत, विशेषतः हायड्रोफिलिक औषधांच्या एनकॅप्सुलेशनसाठी मोठ्या प्रमाणावर केला जात आहे.