Tensidernas egenskaper, ämnen som sänker ytspänningen hos en vätska, kan finjusteras genom att justera deras molekylära struktur, enligt en ny A*STAR -studie. Denna metod kan hjälpa forskare att utveckla bättre ytaktiva ämnen för en mängd olika tillämpningar, från att hjälpa till med läkemedelstillförsel, eller förbättra effektiviteten av oljeborrning, för att öka rengöringsförmågan hos tvål.

Ytaktiva ämnen är molekyler med delad personlighet. De har vanligtvis ett hydrofilt "huvud" som lockar vatten, och en hydrofob "svans" som föredrar oljiga molekyler. Ytaktiva ämnen kan omge små oljiga droppar för att bilda en struktur som kallas en micell, vilket gör att de oljiga molekylerna kan dispergeras och stabila i vatten.

Freda Lim och kollegor vid A*STAR Institute of High Performance Computing har nu visat att omorganisering av atomerna i ett vanligt ytaktivt ämne kan ha stor inverkan på dess förmåga att bilda miceller.

Teamet utförde datorsimuleringar av en familj av sex olika alkylbensensulfonatmolekyler, ytaktiva ämnen som, på grund av deras kostnadseffektivitet och biologiska nedbrytbarhet, används i stor utsträckning inom tvättmedels- och petroleumindustrin. Dessa molekyler har alkyl "svansar" som innehåller 12, 14 eller 16 kolatomer, och vissa har korta alkylgrupper i olika positioner på sina bensensulfonat-"huvuden".

Forskarna simulerade först hur ytaktanterna betedde sig i ett enda molekylskikt, instängd mellan vatten och en färglös, oljigt kolväte som kallas dekan. När koncentrationen av ytaktiva molekyler ökade till den punkt där skiktet var packat med ytaktiva ämnen, de med mer kompakta huvuden och längre svansar förblev i ett platt lager, medan de med skrymmande huvuden och kortare svansar började böja sig i böljande vågor. I allmänhet, det ytaktiva medlets beteende berodde också på placeringen av kemiska grupper runt dess huvud.

Forskarna fortsatte sedan att öka koncentrationerna av ytaktiva ämnen i mellanskiktet. De med mer kompakta huvuden och längre svansar bildade knoppliknande strukturer fyllda med dekan, men släppte inte fria miceller. I kontrast, de med de skrymmande huvudena och kortare svansarna bildade knoppar som så småningom bröt sig loss från det ytaktiva skiktet (se bild).

"Valet av ytaktiva ämnen beror på vilket syfte de används för, så det finns verkligen inget "bästa" ytaktiva ämne, " förklarar Lim. "Våra simuleringar ger en riktlinje för att välja typer av ytaktiva ämnen beroende på de specifika applikationerna." Teamet planerar nu att studera hur olika stimuli utlöser bristning av de ytaktiva micellstrukturerna, och hur de ämnen som fångas in i dessa strukturer kan frigöras för applikationer.