ไมเซลล์ – โครงสร้าง คุณสมบัติ และการใช้งาน

ด้วยโครงสร้างที่แข็งแรง ไมเซลล์จึงสามารถดูดซับสิ่งสกปรกได้ทุกประเภทจากพื้นผิวที่สัมผัส ไมเซลล์มักถูกกล่าวถึงในบริบทของเครื่องสำอางทำความสะอาดผิวหน้า แต่ไมเซลล์ยังเป็นส่วนผสมในผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น ผงซักฟอกและน้ำยาล้างจานอีกด้วย สารละลาย ไมเซลล์มีคุณสมบัติเด่นคือความสามารถในการละลายสารประกอบที่ละลายน้ำได้น้อย ซึ่งเป็นนิยามของกระบวนการทำให้ละลาย

โครงสร้างและคุณสมบัติของไมเซลล์

โครงสร้างของไมเซลล์เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์เฉพาะตัวของไมเซลล์ ในส่วนนี้ เราจะศึกษาว่าไมเซลล์เกิดขึ้นได้อย่างไร ประกอบด้วยอะไร และกระบวนการใดที่กำหนดพฤติกรรมของไมเซลล์ในสารละลาย

ผ่านสายตาของนักเคมี

ไมเซลล์เป็นเพียง คอลลอยด์แบบแอสโซซิเอทีฟที่เกิดขึ้นจากกระบวนการไมเซลล์ กระบวนการนี้หมายถึงการเปลี่ยนรูปโมเลกุลหรือไอออนแอมฟิฟิลิก ซึ่งเมื่อเกิดการละลายจะเกิดการรวมตัวเป็นกลุ่มก้อนที่ใหญ่ขึ้น

ดังนั้น ไมเซลล์จึงไม่ใช่กลุ่มของสารประกอบเคมีเฉพาะ แต่เป็นรูปแบบการจัดเรียงตัวของโมเลกุลที่เฉพาะเจาะจง การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองนี้ซึ่งส่งผลให้เกิดไมเซลล์เป็นลักษณะเฉพาะของสารอินทรีย์หลายชนิด ซึ่งโมเลกุลประกอบด้วยสองส่วนที่มีขั้วต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ

เมื่อปริมาณสาร ลดแรงตึงผิว ในสารละลายเพิ่มขึ้น เมื่อความเข้มข้นของสารร่วมโมเลกุลถึงระดับหนึ่ง โครงสร้างลักษณะเฉพาะเหล่านี้จะเริ่มก่อตัวขึ้น จุดเริ่มต้นของการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเรียกว่าความเข้มข้นของ CMC

CMC ย่อมาจากอะไร?

CMC หรือความเข้มข้นของไมเซลล์วิกฤต คือ ความเข้มข้นที่ไมเซลล์เริ่มก่อตัวขึ้น อันเป็นผลมาจากการรวมตัวของโมโนเมอร์ที่สะสมไว้เป็นกลุ่มโมเลกุลขนาดใหญ่ขึ้น การก่อตัวของกลุ่มโมเลกุลนี้ยังมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพของโมเลกุลอีกด้วย

เหนือ CMC กลุ่มโมเลกุลดังกล่าวจะอยู่ในภาวะสมดุลกับโมเลกุลเดี่ยว จึงกลายเป็นรูปแบบที่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ สมดุลนี้เป็นจุดเปลี่ยนสำคัญ เนื่องจากสามารถดำเนินไปอย่างต่อเนื่องได้ทั้งสองทิศทาง ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการเจือจาง ไมเซลล์จะสลายตัวอีกครั้ง ต่ำกว่าความเข้มข้นของ CNC โมเลกุลของสารลดแรงตึงผิวจะเคลื่อนที่อย่างอิสระในสารละลายโดยไม่มีโครงสร้างที่เป็นระเบียบ

คุณสมบัติทางกายภาพของไมเซลล์

เมื่อความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิวในสารละลายเพิ่มขึ้น จะเกิดการเปลี่ยนแปลงดังต่อไปนี้:

–
• แรงตึงผิว,

–

• การนำไฟฟ้า,

–

• ความเข้มของการกระเจิงแสง

–

• ความหนืด

–

– –

หัวและหาง – โครงสร้างของไมเซลล์

โครงสร้างของไมเซลล์สามารถแบ่งได้เป็นสองส่วนหลัก ซึ่งมีความแตกต่างกันอย่างมากในขั้วและเรียกว่า:

–
1. หัวแบบไฮโดรฟิลิก (Hydrophilic head) ซึ่งมีความสามารถในการจับตัวกับน้ำสูง เป็นส่วนหนึ่งของไมเซลล์ที่ทำหน้าที่ควบคุมให้อนุภาคต่างๆ รวมตัวกันกับน้ำ และยังช่วยขับไล่ไขมันอีกด้วย

–

2. หางที่ไม่ชอบน้ำ หรือ ที่เรียกอีกอย่างว่าหางที่ชอบไขมัน ซึ่งมีผลตรงกันข้าม คือ ดึงดูดโมเลกุลไปที่ไขมันและขับไล่น้ำออกไป

–

บริเวณที่ไม่ชอบน้ำส่วนใหญ่มักประกอบด้วยโซ่ไฮโดรคาร์บอน อนุมูลอิสระ:

–
• อัลคิล

–

• อัลคิลลาริล

–

• อนุมูลไฮโดรคาร์บอนฟลูออรีน

–

บริเวณที่ชอบน้ำประกอบด้วยกลุ่มที่มีปฏิกิริยากับน้ำค่อนข้างรุนแรง เช่น กลุ่มไอโอโนเจนิก กลุ่มที่ไม่ใช่ไอออนิก เช่น กลุ่มอีเทอร์ ก็สามารถเป็นส่วนหนึ่งของบริเวณที่ชอบน้ำของไมเซลล์ได้เช่นกัน แต่โดยปกติแล้วจะต้องมีกลุ่มที่มีขั้วจำนวนมากขึ้นในโมเลกุล

กระบวนการไมเซลไลเซชัน

เนื่องจากส่วนที่ไม่มีขั้วของสาร เช่น โซ่อัลคิลของโมเลกุลสารลดแรงตึงผิวแบบกระจายตัวเดี่ยว มีพื้นที่ผิวสัมผัสกับน้ำขนาดใหญ่ และปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลน้ำหลายโมเลกุลมีความเข้มข้นมากกว่าปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลกับหมู่ _–CH2 ที่มีอยู่ในโซ่ เอนโทรปีของระบบจึงลดลง และโมเลกุลน้ำจะเริ่มจัดตัวที่ตำแหน่งของโซ่อัลคิล

ทำให้เกิดการเคลื่อนตัวของโซ่ไฮโดรคาร์บอนจากภายในเฟสของน้ำ เมื่อความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิวเพิ่มขึ้น จำนวนการชนกันระหว่างโซ่ไฮโดรคาร์บอนก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน นอกจากนี้ยังเพิ่มโอกาสในการรวมตัวและความหนาของโมเลกุลอีกด้วย

การควบแน่นของโมเลกุลจะมาพร้อมกับการลดลงของเอนทัลปีอิสระ สิ่งนี้ยังเป็นผลมาจากการรวมตัวของสารตกค้างที่ไม่มีขั้วกับแกนที่ไม่มีขั้วในสถานะของเหลว ซึ่งถูกแยกออกจากเฟสน้ำด้วยหมู่ขั้ว

เมื่อความเข้มข้นของ CMC ดังกล่าวข้างต้น หรือที่เรียกว่าความเข้มข้นของไมเซลล์วิกฤต เกิดขึ้น คลัสเตอร์ทรงกลมจะสะสมตัว โดยหมู่ขั้วของแต่ละอนุภาคจะมุ่งไปยังเฟสน้ำ ในขณะที่โซ่ไฮโดรคาร์บอนที่ไม่มีขั้วจะก่อตัวขึ้นภายใน ไมเซลล์ที่เกิดขึ้นในลักษณะนี้เรียกว่าไมเซลล์ปกติ

ในตัวทำละลายอินทรีย์ อาจเกิดไมเซลล์ย้อนกลับได้ โดยส่วนที่ไม่ชอบน้ำจะอยู่ด้านนอก

–

ชนิดและตัวอย่างของสารลดแรงตึงผิว

ชนิดของสารลดแรงตึงผิวที่ใช้สร้างไมเซลล์มีผลกระทบอย่างมากต่อโครงสร้างและการทำงานของสารลดแรงตึงผิว ด้านล่างนี้คือประเภทและตัวอย่างสารลดแรงตึงผิวที่ใช้สร้างไมเซลล์ที่พบบ่อยที่สุด

ตัวอย่างของไอออนที่มีฤทธิ์ผิว

ไอออนที่มีประจุลบ, แคตไอออน:

–
• คาร์บอกซิเลต

–

• ซัลเฟต,

–

• ซัลโฟเนต

–

• ฟอสเฟต.

–

ไอออนที่มีประจุบวก, แคตไอออน:

–
• แอมโมเนียม

–

• ฟอสโฟเนียม

–

–

ประเภทของสารลดแรงตึงผิว

–

–
1. สารลดแรงตึงผิวไอออนิก
   –
   1. แอนไอออนิก เช่น SDS หรือโซเดียมโดเดซิลซัลเฟต

   –

   2. ไอออนบวก เช่น CTAB หรือเซทิลไตรเมทิลแอมโมเนียมโบรไมด์

   –

   3. แอมฟิออน หรือไอออนที่เรียกว่าแอมฟิฟิลิกหรือไบโพลาร์ ซึ่งมีทั้งหมู่แคตไอออนที่มีประจุบวกและหมู่แอนไอออนที่มีประจุลบ เช่น เลซิติน หรือ ฟอสฟาติดิลโลลีน

   –

   –

–

2. สารลดแรงตึงผิวที่ไม่ใช่ไอออนิก เช่น โพลีออกซีเอทิลีน

–

–

กิจกรรมพื้นผิวของสารลดแรงตึงผิวและโครงสร้างไมเซลล์

พารามิเตอร์นี้ ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของสารประกอบที่ลดแรงตึงผิว จะเพิ่มขึ้นตามจำนวนกลุ่มเมทิลีนที่มีอยู่ในห่วงโซ่ไฮโดรคาร์บอน

เนื่องจากโครงสร้างของห่วงโซ่ ไมเซลล์จึงสามารถแบ่งออกได้เป็น:

–
1. โซ่เดี่ยว
   –
   1. ประจุลบ เช่น SDS

   –

   2. ประจุบวก เช่น CTAB

   –

   –

–

2. โซ่คู่
   –
   1. แอนไอออนิก เช่น AOT เช่น โซเดียมบิส(2-เอทิลเฮกซิล) ซัคซิเนตซัลโฟเนต

   –

   2. ประจุบวก เช่น ไดเฮกซาเดซิลไดเมทิลแอมโมเนียมโบรไมด์

   –

   –

–

3. โมเลกุล เช่น MGDG คือ โมโนกาแลกโตซิลไดกลีเซอไรด์

–

– –

การประยุกต์ใช้ไมเซลล์

ไมเซลล์มีการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่ด้านความงาม เภสัชภัณฑ์ และอุตสาหกรรมเคมี เรียนรู้เกี่ยวกับสาขาที่สำคัญที่สุดที่นำคุณสมบัติของไมเซลล์ไปใช้ในทางปฏิบัติ

ทำความสะอาดผิวอย่างมีประสิทธิภาพ

สิ่งนี้เป็นไปได้ด้วยการมีอยู่ของอนุภาคไลโปฟิลิกและไฮโดรฟิลิก ยกตัวอย่างเช่น ในผลิตภัณฑ์ล้างเครื่องสำอางที่มีส่วนผสมของไมเซลลาร์วอเตอร์ อนุภาคไฮโดรโฟบิกจะจับกับซีบัมและคราบเครื่องสำอางตกค้างบนผิว ขณะที่อนุภาคไฮโดรฟิลิกจะดึงดูดฝุ่นและสิ่งสกปรก ส่งผลให้การทำความสะอาดแบบคู่ ช่วยทำความสะอาดได้อย่างมีประสิทธิภาพและทั่วถึงโดยไม่ทำให้ผิวแห้งหรือระคายเคืองโดยไม่จำเป็น

แม้แต่ผิวแพ้ง่ายก็แนะนำให้ใช้ผลิตภัณฑ์ไมเซลลาร์ด้วยคุณสมบัติที่อ่อนโยน ไม่จำเป็นต้องขัดหรือกดแรงๆ ด้วยสำลีแผ่น และการทำงานของคอลลอยด์เหล่านี้เทียบเท่ากับแม่เหล็กที่เกาะบนสิ่งสกปรก สารละลายน้ำที่มีไมเซลลาร์จะไม่รบกวนชั้นไฮโดรลิปิดของหนังกำพร้า

การผลิตเครื่องสำอางไมเซลลาร์

ข้อดีอีกประการหนึ่งของไมเซลล์ ซึ่งเป็นอนุภาคขนาดเล็กมาก คือไม่มีข้อจำกัดเกี่ยวกับสูตรที่ใช้ สามารถใช้ได้ในรูปแบบที่นิยมที่สุด คือ ไมเซลล์ลาร์ วอเตอร์ รวมถึงครีมและโลชั่นด้วย

นอกจากนี้ยังมีสูตรเจลเข้มข้นสูงที่ไม่ต้องใช้ผ้าขนหนูหรือสำลี เพียงแค่นวดลงบนผิวแล้วล้างออกด้วยน้ำ

การทำงานของไมเซลล์ 3 ขั้นตอน

–

–
1. ดึงดูด สิ่งสกปรกด้วยหางที่ไม่ชอบน้ำ

–

2. การห่อหุ้ม ซึ่งดักจับโมเลกุลของไขมันและสิ่งสกปรกไว้ภายในไมเซลล์

–

3. การกำจัด สิ่งสกปรกที่ติดอยู่ในไมเซลล์ผ่านหัวที่ชอบน้ำซึ่งยังคงสัมผัสกับเฟสน้ำ

–

–

การประยุกต์ใช้ไมเซลล์ในอุตสาหกรรมอื่นๆ

–

–
1. ผลิตภัณฑ์เสริมความงาม ส่วนใหญ่เป็นไมเซลลาร์ลิควิดและโลชั่นล้างเครื่องสำอาง แต่ยังรวมถึงแชมพูไมเซลลาร์สำหรับทำความสะอาดหนังศีรษะอย่างล้ำลึกและเจลอาบน้ำด้วย

–

2. ร้านขายยา เช่น การเพิ่มการดูดซึมของสารออกฤทธิ์โดยการนำยาที่มีความสามารถในการละลายจำกัดเข้าสู่ร่างกายในรูปแบบของสารละลายไมเซลลาร์ที่ไม่ใช่ไอออนิก

–

3. ผลิตภัณฑ์ทำความสะอาด – กระบวนการละลายที่กล่าวถึงข้างต้นอธิบายถึงฟิสิกส์เคมีของการซัก ไมเซลลาร์คอลลอยด์ในรูปของสารละลายจะห่อหุ้มไขมัน แยกสิ่งสกปรกและขจัดออกจากเนื้อผ้า เมื่อใช้สารลดแรงตึงผิวไอออนิก อนุภาคสิ่งสกปรกและพื้นผิวที่เกาะติดจะมีประจุเดียวกัน ทำให้แยกออกจากกันได้ง่าย

–

4. กระบวนการทางกายภาพและเคมี : การเร่งปฏิกิริยาไมเซลล์ การยับยั้งปฏิกิริยาเคมี กระบวนการลอยตัวและการกู้คืนน้ำมัน

–