Μαγνητική επιστήμη: αναπτύσσοντας ένα νέο τασενεργό Understand article

Μετάφραση από τον Κωνσταντίνο Μιχαλοδημητράκη. Η μόλυνση που προκαλείται την αυξανόμενη χρήση απορρυπαντικών και άλλων τασενεργών είναι ανησυχητική. Μία λύση:…

Έχει υπολογιστεί ότι κάθε άτομο στην ΕΕ χρησιμοποιεί περίπου 10 κιλά απορρυπαντικών ετησίως. Αυτό περιλαμβάνει όχι μόνο τις πλάκες σαπουνιών, τα σαμπουάν, τις οδοντόκρεμες, τις σκόνες για πλύσιμο και τα καθαριστικά για το σπίτι που όλοι ξέρουμε, αλλά και ενώσεις τύπου απορρυπαντικού που βρίσκονται σε καύσιμα, φαρμακευτικά προϊόντα ακόμα και σε τρόφιμα και στην μπύρα. Στην βιομηχανία χρησιμοποιούνται τεράστιες ποσότητες απορρυπαντικών, για παράδειγμα στα καθαριστήρια, στην προετοιμασία υφασμάτων και βαφή δερμάτινων, σε πλυντήρια αυτοκινήτων και για τον καθαρισμό και την απολύμανση νοσοκομείων.

Όταν έχουν ολοκληρώσει το καθαριστικό τους έργο, τα υπολείμματα ξεπλένονται απλά σε αποχετεύσεις και τελικά ελευθερώνονται στο περιβάλλον. Φανταστείτε αντί αυτού να μπορούσαν να ανακτηθούν αυτά τα υπολείμματα. Αυτό το άρθρο περιγράφει μέρος της πιο σύγχρονης έρευνας στα ανακυκλώσιμα απορρυπαντικά και πώς μπορούν να μελετηθούν χρησιμοποιώντας προχωρημένες ερευνητικές μεθόδους.

Σαπούνια, απορρυπαντικά και τασενεργά

Τα τασενεργά είναι ενώσεις που μειώνουν την επιφανειακή τάση ενός υγρού, καθιστώντας τα κατάλληλα για πολλές εφαρμογές – όπως για παράδειγμα γαλακτωματοποιητές, παράγοντες αφρισμού, υγραντικούς παράγοντες και παράγοντες διασποράς. Τασενεργά ή μίγματα τασενεργών που χρησιμοποιούνται στον καθαρισμό είναι γνωστά ως απορρυπαντικά. Το πιο απλό και παλιό απορρυπαντικό από όλα είναι το σαπούνι, που χρησιμοποιήθηκε στην Βαβυλώνα πριν από περίπου 5000 χρόνια· μάλιστα, η παραγωγή σαπουνιού είναι μία από τις παλαιότερες χημικές βιομηχανίες.

Το δωδεκανοϊκό νάτριο (Σχήμα 1) δείχνει την γενική δομή όλων των τασενεργών: ένα μέρος του μορίου είναι υδρόφιλο, που σημαίνει ότι θα είναι διαλυτό στο νερό καθώς έχει μία «κεφαλή» με φορτίο, και το υπόλοιπο μόριο είναι μια ελαιώδης υδρόφοβη «ουρά». Η ικανότητα ενός απορρυπαντικού να διαλύεται στο νερό οφείλεται στην ισορροπία μεταξύ διαμοριακών δυνάμεων. Η κεφαλή είναι ένα αρνητικά φορτισμένο καρβοξυλικό ιόν που μπορεί να σχηματίσει δεσμούς υδρογόνου με το νερό, ενώ η υδρόφοβη ουρά δεν μπορεί να σχηματίσει δεσμούς υδρογόνου γιατί είναι μία μακριά αλυσίδα αλκανίου, χωρίς κανένα ηλεκτραρνητικό στοιχείο. Αυτό εξηγεί γιατί τα τασενεργά συσσωματώνονται σε συμπλέγματα, γνωστά ως μικκύλια (Σχήμα 2), τα οποία είναι απαραίτητα για την δράση καθαριστικών απορρυπαντικών.

Επίσης τα δύο άκρα του απορρυπαντικού συμπεριφέρονται διαφορετικά με μη πολικούς λεκέδες όπως το λίπος. Η υδρόφοβη ουρά αλληλεπιδρά με το λίπος, ενώ η υδρόφιλη κεφαλή προσελκύει μόρια νερού μέσω του σχηματισμού δεσμών υδρογόνου. Μετά από λίγη ανατάραξη, το λίπος φεύγει από το υλικό στο οποίο ήταν κολλημένο, σχηματίζοντας σταγονίδια απορρυπαντικού που περιέχουν λίπος· η επιφάνεια των σταγονιδίων αποτελείται από τις υδατοδιαλυτές υδρόφιλες κεφαλές. Έτσι το λίπος αφαιρείται από το υλικό και διατηρείται στο νερό μέσω αυτών των μικκυλίων (Σχήμα 2).

Αναπτύσσοντας μαγνητικά τασενεργά

Μία ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ στο Ην. Βασίλειο – συμπεριλαμβάνοντας δύο από τους συγγραφείς του άρθρου – εργάζεται αυτή την στιγμή σε ένα νέο τύπο τασενεργού: μαγνητικά τασενεργά, τα οποία ανταποκρίνονται σε ένα μαγνητικό πεδίο ως αποτέλεσμα των ατόμων σιδήρου στις κεφαλικές ομάδες τους (Σχήματα 3 και 4). Αυτά τα τασενεργά μπορούν να έχουν τόσο περιβαλλοντικές όσο και ιατρικές εφαρμογές.

Πώς αναπτύχθηκαν τα μαγνητικά τασενεργά; Και πώς μπορείς να αποδείξεις ότι έχεις πραγματικά δημιουργήσει ένα μαγνητικό τασενεργό;

Για να ξεκινήσουν, οι ερευνητές στο Μπρίστολ πήραν ένα γνωστό τασενεργό και αντικατέστησαν την ομάδα βρωμίου του με μία ομάδα που περιέχει σίδηρο (Σχήμα 3). Μετά έδειξαν ότι η ένωση λειτουργούσε ακόμα ως τασενεργό: ήταν ικανό να μειώσει την επιφανειακή τάση υγρών και μπορούσε να τα κάνει να αφρίσουν. Κατόπιν, η ομάδα έδειξε ότι ο σίδηρος στην κεφαλική ομάδα είχε δώσει την επιθυμητή μαγνητική δράση.

Όμως, για να καταλάβουν πραγματικά τι συμβαίνει, οι ερευνητές έπρεπε να κοιτάξουν καλύτερα την ένωσή τους. Για παράδειγμα, παρόλο ότι η ικανότητά της να μειώνει την επιφανειακή τάση ήταν ένδειξη ότι σχημάτιζε μικκύλια, δεν ήταν αδιαμφισβήτητη απόδειξη. Για να το εξετάσουν, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μία υπερευαίσθητη τεχνική ειδικών που ονομάζεται σκεδασμός νετρονίων μικρής γωνίας (SANS· small-angle neutron scattering).

Τα τασενεργά μπορούν να απεικονιστούν χρησιμοποιώντας σκεδασμό νετρονίων μικρής γωνίας

Ο SANS είναι μία άριστη τεχνική για την διερεύνηση δομών μεγέθους περίπου 0,1-100 nm· τέλεια, λοιπόν, για την αναζήτηση και τον χαρακτηρισμό μικκυλίων τασενεργών και σταγονιδίων γαλακτώματος, τα οποία έχουν συνήθως διάμετρο 2-10 nm. Ο SANS επίσης χρησιμοποιείται για την διερεύνηση μαλακής ύλης (π.χ. πολυμερή, κολλοειδή και υγροί κρύσταλλοι), βιολογικών μορίων (π.χ. DNA και πρωτεΐνες σε διάλυμα) και σκληρή συμπυκνωμένη ύλη (π.χ. συμπλέγματα σε κράματα και το πλέγμα γραμμών ροής σε υπεραγωγούς).

Σε ένα πείραμα SANS, μία έντονη δέσμη νετρονίων κατευθύνεται πάνω στο δείγμα του ενδιαφέροντος (Σχήμα 5))· αυτή η δέσμη μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ρεύμα ελεύθερων σωματιδίων που ταξιδεύουν στην ίδια κατεύθυνση και με την ίδια ταχύτητα. Τα ελεύθερα νετρόνια στην δέσμη αλληλεπιδρούν με τους δεσμευμένους πυρήνες των ατόμων στο δείγμα, σκεδάζοντας την δέσμη. Τα σκεδασμένα νετρόνια καταγράφονται από έναν τοπο-ευαίσθητο ανιχνευτή. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν – η ένταση των νετρονίων που σκεδάζονται από διαφορετικές περιοχές του δείγματος – χρησιμοποιούνται σε μαθηματικά μοντέλα για να καθοριστεί το σχήμα, το μέγεθος και το φορτίο των αντικειμένων στο δείγμα που προκαλούν σκεδασμό. Για μια πιο λεπτομερή περιγραφή της ανάλυσης με SANS, κατεβάστε τα υποστηρικτικά υλικά από την ιστοσελίδα του Science in School^w1.

Για την ανάλυσή τους με SANS, η ομάδα στο Μπρίστολ συνενώθηκε με επιστήμονες στο Ινστιτούτο Laue-Langevin (ILL· δείτε το κουτί) στην Γκρενόμπλ, Γαλλία. Αν και άλλες ιδιότητες τασενεργών όπως η μείωση της επιφανειακής τάσης είχαν ήδη παρατηρηθεί για την νέα ένωση, τα αποτελέσματα του SANS παρείχαν την πρώτη αδιαμφισβήτητη απόδειξη ότι πραγματικά σχημάτιζε μικκύλια.

Επιπλέον, οι επιστήμονες μπόρεσαν να δείξουν ότι τα μικκύλια που σχηματίστηκαν από το καινούργιο τασενεργό ήταν μικρά, σφαιρικά και χωρίς φορτίο. Αυτό ήταν σημαντικό γιατί η συμπεριφορά ενός τασενεργού, και επομένως οι εφαρμογές του, επηρεάζονται από τα χαρακτηριστικά των μικκυλίων και των σταγονιδίων του γαλακτώματος που σχηματίζει με διαφορετικά υγρά. Με αυτές τις πληροφορίες, οι επιστήμονες μπορούν να προβλέψουν καλύτερα – και στο μέλλον να διερευνήσουν – την συμπεριφορά του τασενεργού τους υπό διαφορετικές συνθήκες.

Χρησιμοποιώντας τον SANS, η ομάδα κατάφερε επίσης να δοκιμάσει ένα εν διαλύσει τα σωματίδια σιδήρου διίσταντο από το τασενεργό, ουσιαστικά δημιουργώντας ένα μίγμα μη μαγνητικού τασενεργού και διαλυμένων μαγνητικών σωματιδίων, ή εάν τα δύο στοιχεία παρέμεναν ενωμένα, δημιουργώντας γνήσια μαγνητικά μικκύλια. Τα αποτελέσματα έδειχναν ότι οι ενώσεις του σιδήρου ήταν ισχυρά ενσωματωμένα στα μικκύλια. Αυτό άνοιξε την πιθανότητα για την δημιουργία μαγνητικών γαλακτωμάτων με πιθανές ιατρικές εφαρμογές (δείτε παρακάτω).

Τα μαγνητικά τασενεργά έχουν περιβαλλοντικές και ιατρικές εφαρμογές

Τα μαγνητικά τασενεργά μπορεί να ακούγονται σαν μια παράξενη ιδέα, αλλά έχουν μερικές πολύ πρακτικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, πολλά τασενεργά δεν είναι βιοαποικοδομήσιμα. Εάν χρησιμοποιούταν μαγνητικά τασενεργά στην θέση τους, θα μπορούσαν να ανακτηθούν από υδατικά λύματα χρησιμοποιώντας ένα μαγνητικό πεδίο και να ανακυκλωθούν, οδηγώντας σε χαμηλότερα επίπεδα απορρυπαντικών που καταλήγουν στο περιβάλλον.

Επιπλέον, αυτή την στιγμή όταν υπάρχει μία διαρροή πετρελαίου στην θάλασσα, χρησιμοποιούνται τασενεργά για την διάσπαση των πετρελαιοκηλίδων σε τόσο μικρά σταγονίδια γαλακτώματος που διαχέονται μακριά στον ωκεανό, όπου το πετρέλαιο παραμένει κίνδυνος ρύπανσης. Εάν χρησιμοποιούταν στην θέση τους μαγνητικά τασενεργά, τα γαλακτώματα που προκύπτουν θα μπορούσαν να συλλεχθούν, αφαιρώντας καί το πετρέλαιο καί τα τασενεργά από το νερό.

Τα μαγνητικά τασενεργά μπορούν να έχουν ακόμα και ιατρικές εφαρμογές. Η στοχευμένη χορήγηση φαρμάκου αποσκοπεί στο να φτάσει το φάρμακο μόνο στα συγκεκριμένα κύτταρα όπου χρειάζεται, αποφεύγοντας την σπατάλη πολύτιμων φαρμακευτικών προϊόντων και ελαχιστοποιώντας τις παρενέργειες. Στο Σχήμα 6 φαίνεται πώς σταγονίδια γαλακτώματος (βαμμένα μπλε) που σχηματίστηκαν με μαγνητικά τασενεργά μπορούν να χειριστούν από ένα μικρό μαγνήτη με αρκετή αποτελεσματικότητα ώστε να ξεπεράσουν την τυπική ροή αίματος στο σώμα. Αυτά τα γαλακτώματα μπορούν να περικλείσουν φάρμακα με τον ίδιο τρόπο με τα γαλακτώματα που χρησιμοποιούνται αυτή την στιγμή για την χορήγηση φαρμάκων, αλλά τα μαγνητικά γαλακτώματα μπορούν να κατευθυνθούν στο σωστό σημείο του σώματος με ένα μαγνήτη.

Μελλοντικές προοπτικές

Τα μαγνητικά τασενεργά δεν είναι ο μοναδικός νέος τύπος τασενεργών που αναπτύσσεται αυτή την στιγμή στο Μπρίστολ. Η ερευνητική ομάδα ερευνά επίσης τασενεργά που μπορούν να ενεργοποιηθούν και απενεργοποιηθούν με αλλαγές στο φως, στο pH, την θερμοκρασία, την πίεση και την συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα. Η τωρινή πρόκληση είναι να μάθουμε πώς μπορεί να αναβαθμιστεί η κλίμακα σύνθεσης αυτών των τασενεργών ώστε να παράγονται έξυπνα τασενεργά φτηνά και αποτελεσματικά.

Περισσότερα για το ILL

Τα πειράματα SANS απαιτούν έντονες δέσμες νετρονίων, που μπορούν να παραχθούν μόνο σε μεγάλες εγκαταστάσεις. Στην Ευρώπη γίνονται σε εργαστήρια με κοινή χρηματοδότηση και μέσω διακυβερνητικών συνεργασιών, όπως το ISIS^w2, στο Ην. Βασίλειο και το Ινστιτούτο Laue-Langevin (ILL)^w3, στην Γαλλία.

Το ILL είναι ένα διεθνές ερευνητικό κέντρο που λειτουργεί την πιο έντονη σταθερή πηγή νετρονίων στον κόσμο. Κάθε χρόνο, διεξάγονται περισσότερα από 800 πειράματα από περίπου 2000 επιστήμονες που προέρχονται από όλο τον κόσμο. Η έρευνα εστιάζει σε μία ποικιλία επιστημονικών πεδίων: φυσική συμπυκνωμένης ύλης, χημεία, βιολογία, πυρηνική φυσική και επιστήμη υλικών.

Το ILL είναι μέλος του EIROforum^w4, εκδότη του Science in School.

References

• Brown P et al. (2012a) Magnetic emulsions with responsive surfactants. Soft Matter 8: 7545-7546. doi: 10.1039/C2SM26077H

Web References

• w1 – Για να μάθετε περισσότερα για την ανάλυση με SANS, κατεβάστε το υποστηρικτικό υλικό από την ιστοσελίδα του Science in School, είτε ως αρχείο Word είτε ως PDF.
• w2 – Το ISIS είναι ένα κορυφαίο ερευνητικό κέντρο σε παγκόσμιο επίπεδο για την έρευνα στις φυσικές επιστήμες και στις βιοεπιστήμες που χρησιμοποιεί μία σειρά οργάνων νετρονίων και μιονίων για την κατανόηση των ιδιοτήτων των υλικών στην κλίμακα ατόμων. Μία διεθνής κοινότητα με παραπάνω από 2000 επιστήμονες χρησιμοποιούν τις εγκαταστάσεις για να ερευνήσουν θέματα από την καθαρή ενέργεια και το περιβάλλον, την φαρμακευτική και την υγεία, μέχρι την νανοτεχνολογία, την μηχανική υλικών και τεχνολογία πληροφορικής (ΙΤ).
• w3 – Περισσότερες πληροφορίες για το ILL.
• w4 – Το EIROforum είναι μία συνεργασία οκτώ από τους μεγαλύτερους διεθνείς κρατικούς οργανισμούς επιστημονικής έρευνας στην Ευρώπη, οι οποίοι συνδυάζουν τους πόρους, εγκαταστάσεις και την τεχνογνωσία τους για να υποστηρίξουν την Ευρωπαϊκή επιστήμη στο να φτάσει το έπακρο των δυνατοτήτων της. Ως μέρος των εκπαιδευτικών δραστηριοτήτων του και των δραστηριοτήτων για την προσέγγιση του κοινού, το EIROforum εκδίδει το Science in School.

Resources

• Για περισσότερες λεπτομέρειες για την συγκεκριμένη έρευνα, δείτε:

  • Brown P et al. (2012b) Magnetic control over liquid surface properties with responsive surfactants. Angewandte Chemie 51: 2414-2416. doi: 10.1002/anie.201108010

• Για διδακτικές ασκήσεις στην επιφανειακή τάση και τα τασενεργά για το δημοτικό, δείτε:

  • Kaiser A, Rau M (2010) LeSa21: primary-school science activities. Science in School 16: 45-49.

Institutions

Author(s)

O Julian Eastoe είναι καθηγητής χημείας, που εξειδικεύεται στην χημεία τασενεργών στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, στο Ην. Βασίλειο. Ο Paul Brown είναι υποψήφιος διδάκτορας, ο οποίος ερευνά καινούργια τασενεργά στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, στο Ην. Βασίλειο. Η Isabelle Grillo είναι επιστήμονας οργάνων στο Ινστιτούτο Laue-Langevin στην Γκρενόμπλ, στην Γαλλία.

Οι Julian Eastoe και Paul Brown είχαν την ιδέα για τα μαγνητικά τασενεργά και διεξήγαγαν τα πειράματα (με την βοήθεια της καθηγήτριας Annette Schmidt από το Πανεπιστήμιο της Κολωνίας, στην Γερμανία). Η Isabelle Grillo ασχολήθηκε πολύ με τον σκεδασμό των νετρονίων και την ανάλυση των δεδομένων.

Ο Tim Harrison δουλεύει επίσης στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ, ως ο δάσκαλος υπότροφος στην Σχολή Χημείας. Αυτή είναι μία θέση για ένα δάσκαλο δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης που δημιουργήθηκε για να γεφυρώσει το χάσμα μεταξύ δευτεροβάθμιων σχολείων και πανεπιστημίων και να χρησιμοποιήσει τους πόρους της Σχολής Χημείας για να προωθήσει την Χημεία τοπικά, εθνικά και διεθνώς. Ο Tim γράφει συχνά στο Science in School.

License

CC-BY-NC-ND