ミセルと自己集合

親水性の頭部と疎水性の尾部を持つ界面活性剤分子は、臨界濃度を超えると、ミセル、二分子膜、その他の構造へと自発的に集合する。これは分子の自己集合の原型である。

Definition

ミセルとは、臨界濃度を超えると溶液中で自発的に形成される界面活性剤分子の集合体であり、自己集合とは、疎水性効果によって駆動され、両親媒性分子が秩序だった構造へと自発的に組織化される現象である。

Scope

このトピックでは、両親媒性分子の自己集合について扱う。具体的には、界面活性剤の構造、凝集を促進する疎水性効果、ミセルが形成される臨界ミセル濃度である。ミセル形成の熱力学、球状、円筒状、二分子膜、またはベシクルが形成されるかを決定するパッキングパラメーターの法則、そして膜、リポソーム、液晶を含む結果として生じる構造について展開する。コロイドの一般的な安定性と荷電界面の構造は、関連トピックで扱われる。

Core questions

• なぜ疎水性効果は界面活性剤を凝集させるのか？
• 臨界ミセル濃度とは何か、そしてそれを超えると何が起こるのか？
• パッキングパラメーターは、集合構造の形状をどのように予測するのか？
• 二分子膜、ベシクル、膜は、同じ原理からどのように生じるのか？

Key concepts

• 両親媒性物質と界面活性剤
• 疎水性効果
• 臨界ミセル濃度
• パッキングパラメーターと凝集体の形状
• 二分子膜、ベシクル、膜

Key theories

疎水性効果とミセル形成

界面活性剤の尾部の凝集は、水と炭化水素間の好ましくない接触を減少させるため、臨界濃度を超えると、エントロピー駆動の自由エネルギー利得である疎水性効果によってミセルが自発的に形成される。

パッキングパラメーターと構造

球状ミセル、円筒、二分子膜、またはベシクルといった集合体の幾何学的形状は、界面活性剤の尾部の体積と頭部の面積および長さの比によって決定され、自己集合形態の予測を可能にする。

Clinical relevance

界面活性剤の自己集合は、洗剤の洗浄作用や油の可溶化、エマルション、化粧品、リポソームなどの薬物送達媒体の処方、ナノ構造材料の鋳型形成、そして生体細胞膜の構造の根底にある。

History

マクベインは1913年に界面活性剤溶液中のミセルの存在を提唱したが、これは当時議論の的となる考えであった。1970年代のタンフォードによる疎水性効果の分析と、イスラエルアチヴィリによるパッキングパラメーターの枠組みは、自己集合に予測可能な熱力学的および幾何学的基盤を与えた。

Key figures

• James William McBain
• Jacob Israelachvili
• Charles Tanford

Seminal works

• israelachvili2011
• adamson1997

Frequently asked questions

臨界ミセル濃度とは何ですか？

これは、追加された分子が自由なモノマーとして残るのではなく、ミセルへと集合し始める界面活性剤濃度です。この濃度を下回ると溶液は単純な溶液として振る舞い、この濃度を上回るとミセルの出現に伴い多くの物理的特性が急激に変化します。

なぜ界面活性剤の尾部は水中で凝集するのですか？

水分子は露出した炭化水素の尾部の周りに好ましくない秩序だったケージを形成します。尾部を水から遠ざけて凝集させることで、その秩序が解放されエントロピーが増加するため、尾部間に直接的な引力がなくても疎水性効果が自己集合を促進します。