구조

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13361(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

임계 미셀 농도(CMC)는 다양한 이론 및 산업적 응용이 가능한 계면활성제(계면활성제라고도 함)의 주요 물리화학적 특성 중 하나입니다. 이는 온도, pH, 염도, 계면활성제의 화학 구조와 같은 기본 매개변수의 영향을 받습니다. 대부분의 연구에서는 계면활성제의 화학적 매개변수를 기반으로 고정된 조건에서 CMC만 추정했습니다. 본 연구에서 우리는 계면활성제의 분자적 특성과 염도, pH, 온도와 같은 기본 영향 요인을 모델링 매개변수로 고려하여 잘 알려진 음이온 계면활성제의 CMC를 추정하기 위한 일련의 새롭고 적용 가능한 모델을 개발하는 것을 목표로 했습니다. 우리는 계면활성제 이온의 분자 매개변수를 사용하기 위해 정량적 구조 특성 관계 기술을 사용했습니다. 우리는 황산염 유형, 설포네이트, 벤젠 설포네이트, 설포숙시네이트 및 폴리옥시에틸렌 설페이트를 포함한 111가지 나트륨 기반 음이온 계면활성제에 대한 문헌에서 488개의 CMC 값을 수집했습니다. 모델링 프로세스에 활용하기 위해 Dragon 소프트웨어를 사용하여 각 계면활성제에 대해 1410개의 최적화된 분자 설명자를 계산했습니다. CMC에 대해 가장 효과적인 설명자를 선택하기 위해 향상된 교체 방법이 사용되었습니다. 다변량 선형 모델과 두 개의 비선형 모델이 본 연구의 결과입니다. 비선형 모델은 SGB(확률적 경사 부스팅) 트리와 GP(유전 프로그래밍)라는 두 가지 강력한 기계 학습 접근 방식을 사용하여 생성되었습니다. 통계적 평가는 새로 개발된 모델(RSGB2 = 0.999395 및 RGP2 = 0.954946)의 적용 가능성이 높고 수용 가능한 정확도를 보여주었습니다. 최종 결과는 자신감 있는 예측을 위한 SGB 방법의 우수성과 더 큰 능력을 보여주었습니다.

계면활성제 용액의 산업적 적용은 일상 생활에서 이러한 시스템의 중요성이 커지고 있음을 보여줍니다1. 계면활성제는 오일 회수 강화(EOR)2, 세정제 및 세제3,4, 유화제 및 분산제5, 식품6, 코팅7, 기타 여러 화학, 석유 및 제약 공정1을 포함한 다양한 산업에서 활용됩니다.

계면활성제는 친수성(극성 머리) 부분과 소수성(비극성 꼬리) 부분으로 구성된 양친매성 화합물입니다. 이러한 독특한 구조로 인해 계면활성제는 물이나 소금물과 같은 용액의 표면에 축적되는 경향이 있습니다. 표면이 계면활성제 분자로 포화되면 나머지 입자는 대량으로 축적되어 미셀을 형성합니다8.

다양한 유형의 계면활성제 중에서 음이온성 계면활성제는 높은 거품 특성으로 알려져 있으며, 화학 EOR(CEOR), 세제, 세정제 등 일부 산업에서는 특정 용도로 이를 사용하는 경우가 많습니다. 본 연구에서는 여러 음이온성 계면활성제의 거동과 특성을 더 잘 이해하기 위해 조사했습니다.

임계 미셀 농도(CMC)는 많은 이론 및 실험 연구에서 조사된 계면활성제의 중요한 특성입니다. CMC는 미셀이 형성되지 않는 계면활성제의 최대 농도 또는 미셀이 형성되기 시작하는 농도로 정의됩니다8,9.

CMC보다 큰 농도에서 용액은 미셀로 간주되며 희석 용액(예: CMC보다 농도가 낮은 용액)과 다른 동작을 나타냅니다. 산업적, 경제적 관점에서 보면 CMC에서 계면활성제 시스템을 운영하면 특정 효율성이 나타나는 경우가 많습니다. 또한 CMC의 동일한 특성을 기반으로 계면활성제 시스템의 다양한 특성을 추정하기 위해 여러 가지 이론 및 열역학적 연구가 수행되었습니다. 이 분야의 좋은 예는 CMC8,9의 표면 과잉 농도로부터 계면활성제 용액의 표면 장력을 추정하는 것입니다. CMC는 표면과 콜로이드에서 계면활성제 용질의 거동을 평가하는 간단한 방법으로, 잠재적인 산업 및 제약 응용을 평가하는 데 유용한 도구입니다10,11. 특정 상황에서는 최소한의 계면활성제 양으로 미셀 코어에 소수성 약물을 용해시키는 데 사용되는 경우와 같이 계면활성제가 낮은 CMC를 갖는 것이 바람직합니다. 또한 낮은 제품 표면 장력이 요구되는 발포, 습윤 및 단단한 표면 세척과 같은 응용 분야에서 미셀은 CMC 위에서 계면활성제 저장소 역할을 하여 표면 장력의 큰 변화 없이 제품을 희석할 수 있습니다. 반면, 막 단백질 추출과 같은 경우 추출 효율은 일반적으로 자기 결합으로 인해 계면활성제 CMC의 약 4배에서 정체되기 때문에 높은 CMC가 선호됩니다.