المادة الفعالة سطحياً

تتكون معظم المواد الفعالة سطحياً من "ذيول" تعتمد على الهيدروكربونات المشبعة أو غير المشبعة. أما المواد الفعالة سطحياً الفلورية فتتكون من سلاسل فلوروكربونية ، بينما تتكون المواد الفعالة سطحياً السيلوكسانية من سلاسل سيلوكسانية .

تحتوي جزيئات المواد الفعالة سطحياً إما على ذيل واحد أو ذيلين؛ ويقال إن تلك التي تحتوي على ذيلين هي جزيئات ذات سلسلة مزدوجة . ^{[ 10 ]}

المواد الخافضة للتوتر السطحي القائمة على الأحماض الأمينية هي مواد خافضة للتوتر السطحي مشتقة من حمض أميني . وتختلف خصائصها، ويمكن أن تكون أنيونية أو كاتيونية أو ثنائية القطب، وذلك تبعاً للحمض الأميني المستخدم والجزء من الحمض الأميني الذي يتكثف مع سلسلة الألكيل/الأريل. ^{[ 11 ]}

تتكون المواد الفعالة السطحية الثنائية من جزيئين من المواد الفعالة السطحية مرتبطين معًا عند أو بالقرب من مجموعاتهما الرأسية. وبالمقارنة مع المواد الفعالة السطحية الأحادية، فإن تركيزاتها الحرجة لتكوين المذيلات أقل بكثير . ^{[ 11 ]}

في الطور المائي، تُشكّل المواد الفعالة سطحيًا تجمعات، مثل المذيلات ، حيث تُشكّل الذيول الكارهة للماء لبّ التجمع، بينما تتلامس الرؤوس المحبة للماء مع السائل المحيط. ويمكن أن تتشكّل أنواع أخرى من التجمعات، مثل المذيلات الكروية أو الأسطوانية أو الطبقات الثنائية للدهون . يعتمد شكل التجمعات على التركيب الكيميائي للمواد الفعالة سطحيًا، وتحديدًا على التوازن في الحجم بين الرأس المحب للماء والذيل الكاره للماء. ويُقاس هذا التوازن بتوازن المحبة للماء والكارهة للماء (HLB). تُخفّض المواد الفعالة سطحيًا التوتر السطحي للماء عن طريق الامتزاز على سطح التماس بين السائل والهواء. وتُعرف العلاقة التي تربط بين التوتر السطحي والفائض السطحي باسم معادلة جيبس ​​الحرارية .

تُعدّ ديناميكيات امتزاز المواد الفعالة سطحيًا ذات أهمية بالغة للتطبيقات العملية، مثل عمليات الرغوة والاستحلاب والطلاء، حيث تتولد الفقاعات أو القطرات بسرعة وتتطلب استقرارًا. وتعتمد ديناميكيات الامتصاص على معامل انتشار المادة الفعالة سطحيًا. ومع تكوّن السطح البيني، يُحدّ من الامتزاز انتشار المادة الفعالة سطحيًا إلى هذا السطح. وفي بعض الحالات، قد يوجد حاجز طاقة أمام امتزاز أو انفصال المادة الفعالة سطحيًا. وإذا حدّ هذا الحاجز من معدل الامتزاز، يُقال إن الديناميكيات "محدودة حركيًا". وقد تُعزى حواجز الطاقة هذه إلى التنافر الفراغي أو الكهروستاتيكي . وتلعب خواص انسياب سطح طبقات المادة الفعالة سطحيًا، بما في ذلك مرونة الطبقة ولزوجتها، دورًا هامًا في استقرار الرغوات والمستحلبات.

يمكن تحديد التوتر السطحي والتوتر البيني باستخدام الطرق الكلاسيكية مثل طريقة القطرة المعلقة أو طريقة القطرة الدوارة . ويمكن الحصول على التوتر السطحي الديناميكي، أي التوتر السطحي كدالة للزمن، باستخدام جهاز قياس أقصى ضغط للفقاعة.

يمكن دراسة بنية طبقات المواد الفعالة سطحياً عن طريق قياس الإهليلجية أو انعكاس الأشعة السينية .

يمكن تحديد خصائص الريولوجيا السطحية باستخدام طريقة القطرة المتذبذبة أو مقاييس الريولوجيا السطحية القصية مثل مقياس الريولوجيا السطحية القصية ذو المخروط المزدوج أو الحلقة المزدوجة أو القضيب المغناطيسي.

تُستخدم بعض المواد الفعالة سطحياً كمستحلبات أو عوامل رغوية في الأغذية. ويمكن الاطلاع على أمثلة في قائمة المضافات الغذائية .

تعمل عملية القلوية ( التصبن ) لدهون الكاكاو في مسحوق الكاكاو المستخدم في الشرب على تقليل التوتر السطحي للحليب وتمكين ترطيب أو تعليق مسحوق الكاكاو شبه الدسم بشكل أسرع.

تُستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي في المنظفات ، وسوائل غسل الأطباق ، والشامبو ، وجل الاستحمام ، والمنتجات المماثلة لزيادة "ذوبان" جزيئات الدهون والأوساخ التي تلتصق بالغسيل أو الجسم في الماء.

يمكن أن تتكون منعمات الأقمشة من مواد فعالة سطحية كاتيونية تمنع الغسيل من أن يصبح قاسياً عند جفافه.

تُعدّ المستحلبات ضرورية لإنتاج مستحلبات الماء في الزيت ، مثل تلك المستخدمة في كريمات البشرة . كما أنها ضرورية أيضاً لمجموعة واسعة من المعلقات للحفاظ على تركيبات الأدوية السائلة.

تحتوي منتجات وقاية النباتات على مواد فعالة سطحية لتحسين ترطيبها (انتشارها) على النباتات. وأكثر المواد المرطبة شيوعًا هو أمين الشالاو الإيثوكسيلي. كما تُستخدم أيضًا ثلاثي السيلوكسانات أو الكحولات الدهنية متعددة الإيثيل. ^{[ 14 ]} تشمل تركيبات المبيدات الزراعية التي تستخدم المواد الفعالة سطحية مبيدات الأعشاب (بعضها)، ومبيدات الحشرات ، والمبيدات الحيوية (المطهرات). ^{[ 15 ]}

تعمل المواد الفعالة سطحياً على إزاحة الهواء من مصفوفة ضمادات القطن والضمادات، مما يسمح بامتصاص المحاليل الطبية وتطبيقها على مختلف مناطق الجسم. كما تعمل على إزالة الأوساخ والشوائب باستخدام المنظفات في غسل الجروح ^{[ 16 ]} وعن طريق تطبيق المستحضرات والبخاخات الطبية على سطح الجلد والأغشية المخاطية ^{[ 17 ] . وتعزز المواد الفعالة سطحياً عمليات المعالجة من خلال غسل التربة، والمعالجة الحيوية، والمعالجة النباتية [ 18 ]} .

تحتوي العديد من مبيدات النطاف على مواد خافضة للتوتر السطحي (مثل نونوكسينول-9 ).

في المحاليل، تُساعد المنظفات على إذابة مجموعة متنوعة من المركبات الكيميائية عن طريق تفكيك التجمعات وفكّ طي البروتينات. من المواد الخافضة للتوتر السطحي الشائعة في مختبرات الكيمياء الحيوية كبريتات لوريل الصوديوم (SDS) وبروميد سيتيل ثلاثي ميثيل الأمونيوم (CTAB). تُعدّ المنظفات مواد أساسية لاستخلاص البروتين عن طريق تحليل الخلايا والأنسجة، حيث تعمل على تفكيك الطبقة الدهنية الثنائية للغشاء (مثل SDS، وTriton X-100 ، وX-114، و CHAPS ، و DOC ، و NP-40 )، وتُذيب البروتينات. تُستخدم منظفات أقل قوة، مثل أوكتيل ثيوغلوكوزيد ، وأوكتيل غلوكوزيد ، ودوديسيل مالتوزيد، لإذابة بروتينات الغشاء، مثل الإنزيمات والمستقبلات ، دون تغيير طبيعتها . تُجمع المواد غير الذائبة عن طريق الطرد المركزي أو غيره من الوسائل. على سبيل المثال، في عملية الفصل الكهربائي ، يتم معالجة البروتينات بشكل كلاسيكي باستخدام SDS لتفكيك الهياكل الثلاثية والرباعية الأصلية ، مما يسمح بفصل البروتينات وفقًا لوزنها الجزيئي .

استُخدمت المنظفات أيضًا لإزالة الخلايا من الأعضاء. تحافظ هذه العملية على مصفوفة من البروتينات التي تحافظ على بنية العضو، وغالبًا على شبكة الأوعية الدموية الدقيقة. وقد استُخدمت هذه العملية بنجاح لتحضير أعضاء مثل الكبد والقلب لزراعتها في الفئران. ^{[ 19 ]} كما تُفرز المواد الفعالة بالسطح الرئوي بشكل طبيعي من قِبَل خلايا النوع الثاني في الحويصلات الهوائية للرئة لدى الثدييات .

تُستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي في مكافحة الحرائق (لصنع "ماء رطب" يتغلغل بسرعة أكبر في المواد القابلة للاشتعال ^{[ 20 ] [ 21 ]} ) وخطوط الأنابيب (عوامل تقليل سحب السوائل).

يُتيح استخدام الماء الرطب ميزة اختراق مياه الإطفاء للمواد المحترقة، كالخشب والقماش، بكفاءة أكبر، مما يُعزز قدرتها على التبريد. إضافةً إلى ذلك، يُمكن رشّ مياه الإطفاء الممزوجة بمواد فعالة سطحياً لمسافات أطول بنفس معدل الضخ، وذلك بفضل خصائصها المُحسّنة للتدفق. تحتوي عوامل الرغوة الخاصة ( رغوة تشكيل طبقة مائية ، AFFF) المُستخدمة لمكافحة حرائق السوائل على مواد فعالة سطحياً مُشبعة بالفلور، تُشكّل طبقة سائلة مانعة لتسرب الغازات بين المادة المحترقة والرغوة. يُضفي هذا في الوقت نفسه خصائص انزلاق فائقة لغطاء الرغوة، مما يُتيح إخماد حرائق السوائل الكبيرة بفعالية.

تلعب المواد الفعالة بالسطح دورًا مهمًا في الموائع الدقيقة القائمة على القطرات في تثبيت القطرات ومنع اندماجها أثناء الحضانة. ^{[ 22 ]}

يُنتج جسم الإنسان أنواعًا مختلفة من المواد الفعالة سطحيًا. تُنتَج المادة الفعالة سطحيًا الرئوية في الرئتين لتسهيل التنفس عن طريق زيادة السعة الكلية للرئتين ومرونتهما . في متلازمة الضائقة التنفسية (RDS)، يُساعد العلاج التعويضي بالمواد الفعالة سطحيًا المرضى على استعادة التنفس الطبيعي باستخدام أشكال دوائية من هذه المواد. ومن الأمثلة على المواد الفعالة سطحيًا الرئوية الدوائية دواء سورفانتا ( بيراكتانت ) أو اسمه العلمي بيراكسرف، واللذان تُنتجهما شركتا أبفي وتكزيما على التوالي. تلعب أملاح الصفراء ، وهي مادة فعالة سطحيًا تُنتَج في الكبد، دورًا هامًا في عملية الهضم. ^{[ 23 ]}

تقوم بعض يرقات العثة (من نوع Spodoptera exigua ، جنوب شرق آسيا) ببصق إفرازات تحتوي على مواد فعالة سطحياً على المفترسات. هذا يُثني النمل المهاجم، مما يسمح لليرقات بالفرار. تعمل المواد الفعالة سطحياً الموجودة في إفرازات فم اليرقات على تقليل التوتر السطحي. وبدلاً من أن تتدحرج هذه الإفرازات عن جلد النمل المقاوم للماء كما يفعل الماء العادي، فإنها تُبلل النمل المهاجم. ثم يقوم النمل المتضرر بتنظيف نفسه، مما يمنح اليرقة الوقت الكافي للهرب. ^{[ 24 ]}

نظراً للكميات الهائلة من المواد الفعالة سطحياً التي تُطلق في البيئة، مثل منظفات الغسيل في المياه، فإن تحللها البيولوجي يحظى باهتمام كبير. ومن بين هذه المواد، تبرز المواد الفعالة سطحياً الفلورية ، مثل حمض البيرفلوروكتانويك (PFOA)، التي لا تتحلل بيولوجياً وتظل لفترة طويلة. ^{[ 32 ]} تشمل استراتيجيات تعزيز التحلل معالجة الأوزون والتحلل البيولوجي. ^{[ 33 ] [ 34 ]} تتحلل مادتان فعالتان سطحياً رئيسيتان، وهما سلفونات ألكيل بنزين الخطية (LAS) وإيثوكسيلات ألكيل فينول (APE)، في ظل الظروف الهوائية الموجودة في محطات معالجة مياه الصرف الصحي وفي التربة إلى نونيل فينول ، الذي يُعتقد أنه مُخلّ بالهرمونات . ^{[ 35 ] [ 36 ]} وقد أدى الاهتمام بالمواد الفعالة سطحياً القابلة للتحلل البيولوجي إلى اهتمام كبير بالمواد الفعالة سطحياً الحيوية، مثل تلك المشتقة من الأحماض الأمينية. ^{[ 37 ]} يمكن للمواد الفعالة سطحياً الحيوية أن توفر تحللاً بيولوجياً مُحسّناً. ومع ذلك، فإن ما إذا كانت المواد الخافضة للتوتر السطحي تضر بخلايا الأسماك أو تسبب تراكم الرغوة على المسطحات المائية يعتمد في المقام الأول على تركيبها الكيميائي وليس على ما إذا كان الكربون المستخدم أصلاً من مصادر أحفورية أو ثاني أكسيد الكربون أو الكتلة الحيوية. ^{[ 3 ]}