Мицеллы и самосборка

Молекулы поверхностно-активных веществ (ПАВ) с гидрофильными головками и гидрофобными хвостами спонтанно собираются в мицеллы, бислои и другие структуры выше критической концентрации, что является прототипом молекулярной самосборки.

Definition

Мицеллы — это агрегаты молекул поверхностно-активных веществ, которые спонтанно образуются в растворе выше критической концентрации, а самосборка — это спонтанная организация амфифильных молекул в упорядоченные структуры, движимая гидрофобным эффектом.

Scope

Эта тема охватывает самосборку амфифильных молекул: структуру ПАВ, гидрофобный эффект, который движет агрегацией, и критическую концентрацию мицеллообразования, выше которой образуются мицеллы. В ней рассматривается термодинамика мицеллообразования, правила параметра упаковки, определяющие, образуются ли сферы, цилиндры, бислои или везикулы, а также результирующие структуры, включая мембраны, липосомы и жидкие кристаллы. Общая стабильность коллоидов и структура заряженных интерфейсов рассматриваются в смежных темах.

Core questions

• Почему гидрофобный эффект заставляет ПАВ агрегировать?
• Что такое критическая концентрация мицеллообразования и что происходит выше нее?
• Как параметр упаковки предсказывает форму собранной структуры?
• Как бислои, везикулы и мембраны возникают из одних и тех же принципов?

Key concepts

• Амфифилы и поверхностно-активные вещества
• Гидрофобный эффект
• Критическая концентрация мицеллообразования
• Параметр упаковки и форма агрегата
• Бислои, везикулы и мембраны

Key theories

Гидрофобный эффект и мицеллообразование

Агрегация хвостов ПАВ уменьшает неблагоприятный контакт между водой и углеводородами, поэтому выше критической концентрации мицеллы образуются спонтанно с энтропийным выигрышем свободной энергии, что является гидрофобным эффектом.

Параметр упаковки и структура

Геометрия собранного агрегата, будь то сферическая мицелла, цилиндр, бислой или везикула, определяется соотношением объема хвоста ПАВ к площади и длине его головки, что позволяет предсказывать морфологию самособирающихся структур.

Clinical relevance

Самосборка ПАВ лежит в основе чистящего действия моющих средств и солюбилизации масел, формирования эмульсий, косметики и систем доставки лекарств, таких как липосомы, темплатирования наноструктурированных материалов и структуры биологических клеточных мембран.

History

Макбейн предложил существование мицелл в растворах ПАВ в 1913 году, что тогда было спорной идеей; анализ Тэнфордом гидрофобного эффекта в 1970-х годах и концепция параметра упаковки Исраэлачвили заложили предсказательную термодинамическую и геометрическую основу самосборки.

Key figures

• James William McBain
• Jacob Israelachvili
• Charles Tanford

Seminal works

• israelachvili2011
• adamson1997

Frequently asked questions

Что такое критическая концентрация мицеллообразования?

Это концентрация ПАВ, выше которой добавленные молекулы собираются в мицеллы, а не остаются в виде свободных мономеров; ниже нее раствор ведет себя как простой раствор, а выше нее многие физические свойства резко меняются по мере появления мицелл.

Почему хвосты ПАВ собираются вместе в воде?

Молекулы воды образуют неблагоприятную упорядоченную клетку вокруг открытых углеводородных хвостов; кластеризация хвостов вдали от воды высвобождает это упорядочивание и увеличивает энтропию, поэтому гидрофобный эффект движет самосборкой даже без прямого притяжения между хвостами.