Зависимость типа и размера мицелл от концентрации ПАВ

Многие ПАВ вообще не образуют сферических мицелл, а другие, хотя и образуют, но только в ограниченных концентрационных и температурных интервалах. Можно выделить три типа поведения ПАВ или полярных липидов в зависимости от концентрации.

1. ПАВ хорошо растворимо в воде и физико-химические свойства растворов плавно изменяются от области KKM до насыщения. Такая картина указывает на то, что с увеличением концентрации существенные изменения в структуре мицелл не происходят: мицеллы остаются небольшими и их форма мало отличается от сферической.

2. ПАВ хорошо растворимо в воде, однако при увеличении концентрации наблюдается резкое изменение некоторых свойств системы. В этом случае происходят заметные изменения самоорганизующихся структур.

3. ПАВ плохо растворимо в воде. В этом случае происходит фазовое разделение системы при низких концентрациях ПАВ.

Эти три варианта характеризуются различными областями существования изотропной фазы раствора. В любом случае новая фаза, выделяющаяся при концентрациях выше насыщения, может быть одной из следующих форм:

• жидкокристаллическая фаза,

• твердая фаза ПАВ,

• второй, более концентрированный раствор ПАВ.

Эти фазы сильно различаются по физико-химическим свойствам, поэтому при любом практическом использовании ПАВ важно контролировать структуру фаз. Области существования различных фаз и фазовые равновесия между ними описывают фазовыми диаграммами, которые важны не только для практического применения ПАВ, но и для более глубокого понимания принципов самоорганизации ПАВ.

Короткоцепные ПАВ, например с углеводородными цепями в 8 или 10 атомов углерода, обычно обнаруживают медленное и постепенное изменение свойств растворов без разделения на фазы вплоть до высоких концентраций.

Зависимость относительной вязкости растворов ПАВ от объемной доли сферических мицелл. Кривые соответствуют теоретическим предсказаниям для двух сферических частиц: штриховая линия - не взаимодействующие частицы; сплошная линия - с учетом межмицеллярного взаимодействия. Точки - экспериментальные данные для мицеллярных систем Q2 E5 с одинаковым весовым количеством солюбилизированного декана

Вязкость систем плавно изменяется вплоть до высоких концентраций и приблизительно в соответствии с теорией, описывающей поведение сферических частиц. Методами светорассеяния и спектроскопии ЯМР получены прямые доказательства сферичности агрегатов вплоть до приближения к точке фазового перехода. В некоторых случаях деформации мицелл становятся заметными только при объемных долях мицелл порядка 0.3.

Растворы длинноцепочечных ПАВ, например с углеводородными "хвостами" С 3 или более, уже при низких или промежуточных концентрациях обнаруживают резкое увеличение вязкости с ростом концентрации. На рис. представлена зависимость вязкости от концентрации. В этом случае мицеллы растут с увеличением концентрации, причем сначала образуются короткие вытянутые сфероиды или цилиндры, а затем длинные цилиндрические или червеобразные мицеллы.

Третий, встречающийся реже тип поведения - это рост очень длинных червеобразных мицелл, происходящий уже при очень низких концентрациях, иногда лишь немного превышающих ККМ. Рост мицелл обычно происходит в одном измерении с образованием агрегатов с круговым поперечным сечением. Гидрофобное ядро имеет радиус, совпадающий с радиусом сферических мицелл и, следовательно, равный длине вытянутой алкильной цепи молекулы ПАВ. Линейная длина стержнеобразных мицелл может варьироваться в широких пределах, примерно от 10 нм до многих сотен нанометров.

В случае ПАВ, способных к образованию больших мицелл, вязкость быстро увеличивается с ростом концентрации. Зависимость вязкости нулевого сдвига от концентрации.

Сферическая мицелла

При повышении концентрации часто наблюдается переход от сферических агрегатов к длинным стержнеобразным или червеобразным мицеллам.