ไมเซลล์และการจัดเรียงตัวเอง

โมเลกุลของสารลดแรงตึงผิวที่มีส่วนหัวที่ชอบน้ำและส่วนหางที่ไม่ชอบน้ำจะรวมตัวกันเองเป็นไมเซลล์, ชั้นไขมันสองชั้น, และโครงสร้างอื่นๆ เหนือความเข้มข้นวิกฤต ซึ่งเป็นต้นแบบของการจัดเรียงตัวเองของโมเลกุล

Definition

ไมเซลล์คือกลุ่มของโมเลกุลสารลดแรงตึงผิวที่ก่อตัวขึ้นเองในสารละลายเมื่อมีความเข้มข้นสูงกว่าค่าวิกฤต และการจัดเรียงตัวเองคือการจัดระเบียบตัวเองของโมเลกุลแอมฟิฟิลิกให้เป็นโครงสร้างที่มีระเบียบโดยมีผลกระทบจากภาวะไม่ชอบน้ำเป็นแรงขับเคลื่อน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการจัดเรียงตัวเองของโมเลกุลแอมฟิฟิลิก (amphiphilic molecules): โครงสร้างของสารลดแรงตึงผิว, ผลกระทบจากภาวะไม่ชอบน้ำ (hydrophobic effect) ที่ขับเคลื่อนการรวมตัว, และความเข้มข้นวิกฤตของไมเซลล์ (critical micelle concentration) ซึ่งเป็นจุดที่ไมเซลล์เริ่มก่อตัวขึ้น นอกจากนี้ยังพัฒนาอุณหพลศาสตร์ของการเกิดไมเซลล์, กฎพารามิเตอร์การบรรจุ (packing-parameter rules) ที่กำหนดว่าจะเป็นทรงกลม, ทรงกระบอก, ชั้นไขมันสองชั้น, หรือถุงไขมัน (vesicles) และโครงสร้างที่เกิดขึ้นรวมถึงเยื่อหุ้ม, ไลโปโซม (liposomes), และผลึกเหลว (liquid crystals) เสถียรภาพทั่วไปของคอลลอยด์และโครงสร้างของพื้นผิวที่มีประจุจะกล่าวถึงในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

Core questions

• เหตุใดผลกระทบจากภาวะไม่ชอบน้ำจึงขับเคลื่อนให้สารลดแรงตึงผิวรวมตัวกัน?
• ความเข้มข้นวิกฤตของไมเซลล์คืออะไร และเกิดอะไรขึ้นเมื่อความเข้มข้นสูงกว่าค่านี้?
• พารามิเตอร์การบรรจุทำนายรูปร่างของโครงสร้างที่รวมตัวกันได้อย่างไร?
• ชั้นไขมันสองชั้น, ถุงไขมัน, และเยื่อหุ้มเกิดขึ้นจากหลักการเดียวกันได้อย่างไร?

Key concepts

• แอมฟิไฟล์และสารลดแรงตึงผิว
• ผลกระทบจากภาวะไม่ชอบน้ำ
• ความเข้มข้นวิกฤตของไมเซลล์
• พารามิเตอร์การบรรจุและรูปร่างของสารรวมตัว
• ชั้นไขมันสองชั้น, ถุงไขมัน, และเยื่อหุ้ม

Key theories

ผลกระทบจากภาวะไม่ชอบน้ำและการเกิดไมเซลล์

การรวมตัวกันของส่วนหางของสารลดแรงตึงผิวช่วยลดการสัมผัสที่ไม่พึงประสงค์ระหว่างน้ำกับไฮโดรคาร์บอน ดังนั้นเมื่อความเข้มข้นสูงกว่าค่าวิกฤต ไมเซลล์จะก่อตัวขึ้นเองโดยมีพลังงานอิสระเพิ่มขึ้นจากเอนโทรปี ซึ่งเป็นผลกระทบจากภาวะไม่ชอบน้ำ

พารามิเตอร์การบรรจุและโครงสร้าง

รูปทรงเรขาคณิตของสารรวมตัว ไม่ว่าจะเป็นไมเซลล์ทรงกลม, ทรงกระบอก, ชั้นไขมันสองชั้น, หรือถุงไขมัน จะถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของปริมาตรส่วนหางของสารลดแรงตึงผิวต่อพื้นที่และขนาดของส่วนหัว ซึ่งช่วยให้สามารถทำนายสัณฐานวิทยาของการจัดเรียงตัวเองได้

Clinical relevance

การจัดเรียงตัวเองของสารลดแรงตึงผิวเป็นพื้นฐานของการทำงานในการทำความสะอาดของผงซักฟอกและการละลายน้ำมัน การสร้างอิมัลชัน เครื่องสำอาง และพาหะนำส่งยา เช่น ไลโปโซม การสร้างแม่แบบของวัสดุโครงสร้างนาโน และโครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์ทางชีวภาพ

History

แมคเบน (McBain) ได้เสนอการมีอยู่ของไมเซลล์ในสารละลายสารลดแรงตึงผิวในปี 1913 ซึ่งเป็นแนวคิดที่ถกเถียงกันในขณะนั้น การวิเคราะห์ผลกระทบจากภาวะไม่ชอบน้ำของแทนฟอร์ด (Tanford) ในทศวรรษ 1970 และกรอบแนวคิดพารามิเตอร์การบรรจุของอิสราเอลลาชวิลี (Israelachvili) ได้ให้รากฐานทางอุณหพลศาสตร์และเรขาคณิตที่สามารถทำนายได้สำหรับการจัดเรียงตัวเอง

Key figures

• James William McBain
• Jacob Israelachvili
• Charles Tanford

Seminal works

• israelachvili2011
• adamson1997

Frequently asked questions

ความเข้มข้นวิกฤตของไมเซลล์คืออะไร?

คือความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิวที่โมเลกุลที่เพิ่มเข้ามาจะรวมตัวกันเป็นไมเซลล์ แทนที่จะคงอยู่เป็นโมโนเมอร์อิสระ เมื่อความเข้มข้นต่ำกว่าค่านี้ สารละลายจะทำหน้าที่เป็นสารละลายธรรมดา และเมื่อความเข้มข้นสูงกว่าค่านี้ คุณสมบัติทางกายภาพหลายอย่างจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเมื่อไมเซลล์ปรากฏขึ้น

เหตุใดส่วนหางของสารลดแรงตึงผิวจึงรวมตัวกันในน้ำ?

โมเลกุลของน้ำจะสร้างกรงที่มีระเบียบซึ่งไม่พึงประสงค์รอบๆ ส่วนหางของไฮโดรคาร์บอนที่สัมผัสกับน้ำ การรวมกลุ่มของส่วนหางให้ห่างจากน้ำจะช่วยปลดปล่อยการจัดเรียงตัวนั้นและเพิ่มเอนโทรปี ดังนั้นผลกระทบจากภาวะไม่ชอบน้ำจึงขับเคลื่อนการจัดเรียงตัวเองแม้ว่าจะไม่มีแรงดึงดูดโดยตรงระหว่างส่วนหางก็ตาม