Кіріспе
Сұйықтықпен сабын және/немесе жуғыш заттармен шашыратылған май молекулаларының тобы. Мицелла (немесе мицеллалар) – сұйықтықта таратылған, коллоидты суспензия (сонымен қатар ассоцияланған коллоидты жүйе деп те аталады) құрайтын, беттік белсенді амфипатиялық липид молекулаларының жиынтығы (немесе супермолекулалық құрамы). Судағы әдеттегі мицелла гидрофильді "бас" бөліктерімен қоршаған ортамен жанасып, мицелланың орталық бөлігінде гидрофобты бір "құйрық" бөліктерін жинақтайды. Бұл фаза липидтің бір "құйрықты" екі қабатты құрылымының жиналу қасиеттерінен туындайды. Липидтік бас тобының гидратациясынан туындаған бас тобының ауданына сәйкес келу кезінде екі қабаттың ішкі көлемін толтырудың қиындығы мицелланың пайда болуына себеп болады. Мицелланың осы түрі қалыпты фазалық мицелла (немесе судағы май мицелласы) деп аталады. Кері мицеллаларда бас топтары орталықта орналасқан, ал "құйрықтары" сыртқа қарай созылған (немесе майдағы су мицелласы). Мицеллалар көбінесе шар тәрізді болады. Эллипсоидтар, цилиндрлер және екі қабатты сияқты басқа да пішіндер де мүмкін. Мицелланың пішіні мен мөлшері оның беттік белсенді молекулаларының молекулалық геометриясымен және ерітіндінің жағдайларымен, мысалы, беттік белсенді заттың концентрациясы, температура, pH және иондық күшпен анықталады. Мицеллаларды құру процесі мицеллалану деп аталады және көптеген липидтердің полиморфизміне сәйкес фазалық қасиеттерінің бір бөлігін құрайды.
A micelle (/m//aɪ/'/s//ɛ//l/) or micella (/m//aɪ/'/s//ɛ//l//ə/) ( or micellae, respectively) is an aggregate (or supramolecular assembly) of surfactant amphipathic lipid molecules dispersed in a liquid, forming a colloidal suspension (also known as associated colloidal system). A typical micelle in water forms an aggregate with the hydrophilic "head" regions in contact with surrounding solvent, sequestering the hydrophobic single tail regions in the micelle centre. This phase is caused by the packing behavior of single tail lipids in a bilayer. The difficulty in filling the volume of the interior of a bilayer, while accommodating the area per head group forced on the molecule by the hydration of the lipid head group, leads to the formation of the micelle. This type of micelle is known as a normal phase micelle (or oil in water micelle). Inverse micelles have the head groups at the centre with the tails extending out (or water in oil micelle). Micelles are approximately spherical in shape. Other shapes, such as ellipsoids, cylinders, and bilayers, are also possible. The shape and size of a micelle are a function of the molecular geometry of its surfactant molecules and solution conditions such as surfactant concentration, temperature, pH, and ionic strength. The process of forming micelles is known as micellisation and forms part of the phase behaviour of many lipids according to their polymorphism.
Тарих
Самынды ерітіндінің жуғыш зат ретінде әрекет ету қабілеті ғасырлар бойы белгілі болған. Дегенмен, мұндай ерітінділердің құрамы тек ХХ ғасырдың басында ғылыми тұрғыдан зерттелді. Бұл саладағы алғашқы жұмысты Бристоль университетіндегі Джеймс Уильям МакБэйн жүргізді. Ол 1913 жылы натрий палмитатының жақсы электролиттік өткізгіштігін түсіндіру үшін "колоидальды иондардың" бар екенін жорамалдады. Бұл өте жылдам қозғалатын, өздігінен түзілетін топтар мицелла деп аталды, бұл термин биологиядан алынған және Г. С. Хартли өзінің «Парафиндік тізбек тұздары: Мицелла қалыптасуы туралы зерттеу» атты классикалық кітабында кеңінен танымал етті. Мицелла термині XIX ғасырдағы ғылыми әдебиетте латын сөзі "mica" (бөлшек) сөзінің кішіртпе түрі ретінде пайда болды, бұл "кішкентай бөлшек" деген жаңа мағынаны білдірді.
Еріту
Жүйеде бар, бірақ мицелдің құрамына кірмейтін жеке беттік белсенді молекулалар "мономерлер" деп аталады. Мицелла – бұл молекулалық жиынтық, онда жеке компоненттер термодинамикалық тепе-теңдікте қоршаған ортадағы сол түрдің мономерлерімен болады. Суда беттік белсенді заттардың молекулаларының гидрофильді "бастары" еріткішпен әрқашан байланыста болады, беттік белсенді заттар мономерлер түрінде немесе мицелланың құрамында болған жағдайда да. Дегенмен, беттік белсенді молекулалардың липофильді "құйрықтары" мицелланың құрамында болғанда сумен азырақ байланысады, бұл мицелланың пайда болуына ықпал ететін энергетикалық күштің негізі болып табылады. Мицеллада бірнеше беттік белсенді молекулалардың гидрофобтық құйрықтары май тәрізді ядроға жиналады, оның ең тұрақты түрі сумен байланысқа түспейді. Керісінше, беттік белсенді мономерлер су молекулаларымен қоршалған, олар сутекті байланыстармен байланысқан "қоршау" немесе сольватациялық қабық құрайды. Бұл су қоршауы клатратқа ұқсас, мұз тәрізді кристалдық құрылымы бар және гидрофобтық әсерге сәйкес сипатталуы мүмкін. Липидтердің ерігіштігінің дәрежесі судың гидрофобтық әсерге сәйкес құрылымының реттелгендігінен туындайтын қолайсыз энтропиялық үлескемен анықталады. Иондық беттік белсенді заттардан тұратын мицеллалар оларды ерітіндіде қоршап тұрған иондарға электростатикалық тартылыммен байланысады, бұл иондар контриондар деп аталады. Ең жақын контриондар зарядталған мицелланы ішінара жасыра алғанымен (92% дейін), мицелла зарядының әсері мицелладан едәуір қашықтықтағы қоршаған ортаның құрылымына әсер етеді. Иондық мицеллалар қоспаның көптеген қасиеттеріне, соның ішінде электр өткізгіштігіне әсер етеді. Мицеллаларды қамтитын коллоидқа тұздар қосу электростатикалық өзара әрекеттесудің күшін азайтып, ірі иондық мицеллалардың пайда болуына әкелуі мүмкін. Бұл жүйедегі гидратацияның тиімді заряды тұрғысынан қарағанда дұрыс түсіндіріледі.
Құрылыс энергиясы
Мицеллалар тек қана беткі белсенді заттың концентрациясы мицелдің критикалық концентрациясынан (CMC) жоғары болғанда және жүйенің температурасы мицелдің критикалық температурасынан немесе Крафт температурасынан жоғары болғанда ғана пайда болады. Мицеллалардың пайда болуын термодинамикалық тұрғыдан түсінуге болады: мицеллалар энтропия мен энтальпия арасындағы тепе-теңдіктің нәтижесінде өздігінен қалыптасуы мүмкін. Суда гидрофобтық эффект мицеллалардың түзілуіне ықпал етеді, дегенмен серфактивті молекулаларды біріктіру жүйенің энтальпиясы мен энтропиясы тұрғысынан тиімсіз болып табылады. Беткі белсенді заттың өте төмен концентрациясында ерітіндіде тек мономерлер ғана болады. Беткі белсенді заттың концентрациясы артқан сайын, молекулалардың гидрофобтық құйрықтарын шоғырландырудан туындаған тиімсіз энтропиялық үлес, серфактивті құйрықтардың айналасындағы сольватациялық қабықтардың босатылуынан туындаған энтропияның артуымен жеңілетін нүктеге жетеді. Осы кезде, серфактивті заттардың бір бөлігінің липидті құйрықтары судан бөлінуі керек. Сондықтан мицеллалар қалыптасады. Жалпы алғанда, КМК-дан жоғары, серфактивті молекулаларды біріктіруге байланысты энтропияның жоғалуы, серфактивті мономерлердің сольватациялық қабықтарында "тұтқынға алынған" су молекулаларын босату арқылы туындаған энтропияның артуынан кем болады. Сондай-ақ, серфактивті заттардың зарядталған бөліктері арасындағы электростатикалық өзара әрекеттесулер сияқты энтальпиялық факторлар да маңызды.
Блоктық сополимер мицелдері
Мицеллдер ұғымы кішкентай беттік белсенді молекулалардың ядро-корона агрегаттарын сипаттау үшін енгізілді, бірақ ол таңдамалы еріткіштердегі амфифильді блок-сополимерлердің агрегаттарын сипаттауға да қатысты. Бұл екі жүйенің аражік теріс айырмашылығын білу маңызды. Бұл екі типті агрегаттардың арасындағы негізгі айырмашылық – олардың құрылымдық элементтерінің мөлшерінде. Беттік белсенді молекулалардың молекулалық салмағы әдетте бірнеше жүз граммға тең, ал блок-сополимерлер әдетте бір немесе екі рет үлкен болады. Сонымен қатар, үлкен гидрофильді және гидрофобты бөліктерінің арқасында блок-сополимерлер беттік белсенді молекулалармен салыстырғанда күштірек амфифильді қасиеттерге ие болуы мүмкін. Осы құрылымдық элементтердегі айырмашылықтардың нәтижесінде кейбір блок-сополимер мицеллалары беттік белсенді заттар сияқты, ал басқалары – әлсіз әрекет етеді. Сондықтан, екі жағдайды ажырату қажет. Алғашқылары динамикалық мицеллаларға жатса, екіншілері кинетикалық тұрақтандырылған мицеллалар деп аталады.
Динамикалық мицеллер
Кейбір амфифильді блок-сополимерлік мицеллалар, беттік белсенді мицеллалар сияқты ұқсас мінез-құлық көрсетеді. Олар, әдетте, динамикалық мицеллалар деп аталады және беттік белсенді заттардың алмасуымен және мицелланың бөлінуімен/қайта бірігуімен байланысты релаксациялық процестермен сипатталады. Мицеллалардың екі түрінде де релаксациялық процестер бірдей болғанымен, унимерлердің алмасу кинетикасы өте әртүрлі. Беттік белсенді заттар жүйесінде унимерлер диффузиялық бақылаудағы процесс арқылы мицелладан шығып, оған қосылса, сополимерлер үшін кіру жылдамдық константасы диффузиялық бақылаудағы процестен баяу болады. Бұл процесс жылдамдығы гидрофобтық блок полимерлену дәрежесінің 2/3 дәрежесіне дейін төмендейтіндей қуат заңымен сипатталады. Бұл айырмашылық мицелланың ядросынан шығатын сополимердің гидрофобтық блогының иілуіне байланысты. Дұрыс жағдайларда динамикалық мицеллаларды құрайтын блок-сополимерлердің кейбіреулері триблокты полоксамерлер болып табылады.
Кинетикалық мұздатылған мицеллер
Блоктық сополимер мицеллалары, егер олар беттік белсенді мицеллаларға тән релаксациялық процестерді көрсетпесе, кинетикалық тоңазытылған мицеллалар деп аталады. Мұндай жағдай екі жолмен туындауы мүмкін: мицелла құрамына кіретін унимерлер мицелла ерітіндісінің еріткішінде ерімейтін болса, немесе ядроны құрайтын блоктар мицеллалар кездесетін температурада шыны тәрізді күйде болса. Осы шарттардың кез келгені орындалғанда кинетикалық тоңазытылған мицеллалар пайда болады. Бұл екі шарттың да бірдей орындалатын ерекше мысалы – полистирол b полиэтилен оксиді. Бұл блок-сополимердің ядроны құраушы блогы (PS) жоғары гидрофобтылыққа ие, бұл унимерлердің суда ерімеуіне себеп болады. Сонымен қатар, PS-тің шынылау температурасы жоғары, молекулалық салмағына байланысты бөлме температурасынан асып түседі. Осы екі қасиетінің арқасында, жеткілікті жоғары молекулалық салмағы бар PS PEO мицеллаларының сулы ерітіндісі кинетикалық түрде тоңазытылған деп есептелуі мүмкін. Бұл мицелла ерітіндісін термодинамикалық тепе-теңдікке жеткізетін релаксациялық процестердің ешқайсысының жүзеге аспайтынын білдіреді. Бұл мицеллаларды зерттеуде маңызды жұмыстар Ади Айзенбергтің еңбегінде жарық көрді. Сондай-ақ, релаксациялық процестердің болмауы қалыптасатын морфологиялардың кең спектріне қалай мүмкіндік беретіні көрсетілді. Бұған қоса, кинетикалық тоңазытылған мицеллалардың сұйытуға төзімділігі және морфологиялық әртүрлілігі оларды, мысалы, ұзақ циркуляциялайтын дәрі жеткізуге арналған нанобөлшектерді жасау үшін ерекше қызықты етеді.
Кері мицеллер
Поляр емес еріткіште гидрофильді бас топтарының қоршаған ортаға әсер етуі энергетикалық тұрғыдан тиімсіз болып келеді, нәтижесінде майда су жүйесі пайда болады. Бұл жағдайда гидрофильді топтар мицелла ядросына жиналады, ал гидрофобтық топтар орталықтан сыртқа қарай бағытталады. Бас топтың заряды артқан сайын кері мицеллалардың түзілу ықтималдығы пропорционалды түрде төмендейді, себебі гидрофильдік бөлінуге байланысты өте қолайсыз электростатикалық өзара әрекеттесулер туындайды. Көптеген беттік белсенді заттар/еріткіш жүйелерінде кері мицеллалардың шағын бөлігі +qe немесе -qe мөлшеріндегі таза зарядты өздігінен қабылдайтыны белгілі. Бұл зарядтау диссоциация/ассоциация механизмі емес, диспропорция/компропорция механизмі арқылы жүзеге асырылады және осы реакцияның тепе-теңдік константасы 10−4-тен 10−11-ге дейін шамасында болады, яғни 100 мицелланың 1-нен 100 000-ға дейінгісі зарядталатын болады.
Супермицеллер
[[Файл:Мицелдердің супермолекулярлық жиынтығы6.jpg|thumb|upright=1.7|Электронды микроскоптағы желмойынша тәрізді супермицелла, масштаб сызығы 500 нм]]