DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2026.1744604
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41696523
تاريخ النشر: 2026-01-30
المؤلف: Xinhua Zhu وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد السطحية والأنظمة الغروية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تصميم وتخليق سطح نشط عضوي سيليكوني جديد (SiCH) يتميز بملح أمونيوم رباعي هيدروكسي، بهدف توفير بديل للسطوح النشطة التقليدية القائمة على الفلوروكربون مع ضمان نشاط سطحي عالي. تم تأكيد التركيب الجزيئي لـ SiCH باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR)، والرنين المغناطيسي النووي (NMR)، ومطيافية الكتلة (MS). يظهر السطح النشط استقرارًا حراريًا ممتازًا، مع درجة حرارة تحلل أولية تبلغ 167 درجة مئوية وبقايا ضئيلة عند التسخين. تم تحديد التركيز الحرج للميكيلات (CMC) لـ SiCH ليكون 9.10 مليمول/لتر، مع توتر سطحي مطابق (γ CMC) يبلغ 22.81 مللي نيوتن/متر. ومن الجدير بالذكر أنه عند دمجه مع هكسين سلفونات الصوديوم (SiCH-SHS)، يتم تقليل CMC و γ CMC بشكل أكبر إلى 6.88 مليمول/لتر و21.03 مللي نيوتن/متر، على التوالي، مما يشير إلى تأثير تآزري كبير.
تكشف التحليلات أن المساحة التي تشغلها جزيئة سطح نشط واحدة عند واجهة الهواء/الماء (A_S) لنظام SiCH-SHS هي 1.24 نانومتر²، مع قيمة pC_20 تبلغ 2.91. تشير قياسات تشتت الضوء الديناميكي (DLS) ومجهر الإلكترون الناقل بالتبريد (Cryo-TEM) إلى أن SiCH يمكن أن يتجمع ذاتيًا في تجمعات كروية غير متجانسة تتراوح أحجامها من 122 إلى 295 نانومتر، مع مؤشر تباين (PDI) يبلغ 0.193. تشير الدراسات الديناميكية الحرارية، بما في ذلك اختبارات الموصلية عبر نطاق درجات حرارة من 298.15 إلى 303.15 كلفن، إلى أن تكوين الميكيلات هو عملية تلقائية تتميز بتغير طاقة غيبس الحرة السلبية (ΔG^0_m < 0)، وتغير إنثالبي إيجابي (ΔH^0_m > 0)، وتغير إنتروبي إيجابي (ΔS^0_m > 0)، مما يبرز دور التأثير الكاره للماء في تكوين الميكيلات. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن السطح النشط الذي تم تخليقه لديه قدرة أقل على الاستمرار في البيئة ويقلل بشكل فعال من التوتر السطحي، مما يجعله بديلاً واعدًا للسطوح النشطة التقليدية.
مقدمة
تناقش المقدمة أهمية السطوح النشطة، وخاصة طبيعتها الأمفيبيلية، التي تسمح لها بتقليل التوتر السطحي والحدودي بشكل فعال. تُستخدم السطوح النشطة التقليدية، بما في ذلك السطوح النشطة القائمة على الفلوروكربون، على نطاق واسع في مختلف الصناعات بسبب خصائصها الفريدة مثل الترطيب والاستحلاب. ومع ذلك، فإن المواد الكيميائية القائمة على الفلور (PFAS)، بما في ذلك حمض البيرفلوروأوكتان سلفونيك (PFOS) وحمض البيرفلوروأوكتانيك (PFOA)، تشكل تحديات بيئية بسبب استمرارها وتراكمها الحيوي في النظم البيئية. استجابةً لهذه المخاوف، تم تنفيذ تدابير تنظيمية، مما دفع البحث عن بدائل خالية من الفلور.
تظهر السطوح النشطة السيليكونية كحل واعد، تتميز بعمودها الفقري السيليوكسان، مما يسمح بتقليل كبير في التوتر السطحي (حوالي 20 مللي نيوتن/متر) وزيادة القابلية للتحلل البيولوجي مقارنةً بالسطوح النشطة التقليدية القائمة على الفلوروكربون. أظهرت الدراسات الحديثة النشاط السطحي المتفوق للسطوح النشطة السيليكونية، مع نتائج تشير إلى تركيزات ميكيلات حرجة أقل (CMC) وسلامة بيئية محسنة. تسلط المقدمة الضوء على جهود البحث المستمرة التي تهدف إلى تخليق سطوح نشطة عضوية سيليكونية عالية الأداء، وتقييم استقرارها الحراري، ونشاطها السطحي، وتوافقها مع السطوح النشطة الهيدروكربونية، مما يوفر أساسًا نظريًا لتطبيقها في علم المستحلبات والواجهات كبدائل قابلة للتطبيق للسطوح النشطة القائمة على الفلور.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والأساليب المستخدمة في بحثهم. تشمل المواد الكيميائية الرئيسية المستخدمة 3-كلوروبروبيل ثلاثي كلوروسيلان (97%)، كلوروتريميثيل سيلان (98%)، N,N-ثنائي ميثيل إيزوبروبانولامين (98%)، وكحول إيزوبروبانول (99%)، جميعها مصدرها من شركة شنغهاي علاء الدين للتكنولوجيا الكيميائية المحدودة. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على الميثانول (99.5%) و n-هكسان (97%) من شركة تشنغدو جينشان للمواد الكيميائية المحدودة، بينما تم الحصول على هكسين سلفونات الصوديوم (98%) من شركة شنغهاي ماكلين الكيميائية المحدودة. تم توفير الماء منزوع الأيونات من شركة تشنغدو كي لونغ للمواد الكيميائية المحدودة.
تشير الاختيارات الدقيقة للمواد الكيميائية عالية النقاء إلى التركيز على ضمان موثوقية و reproducibility النتائج التجريبية. يشير استخدام هذه المواد المحددة إلى نهج مستهدف لعمليات التخليق أو التحليل الموصوفة في الدراسة، على الرغم من أن التفاصيل الإضافية حول الإجراءات التجريبية من المحتمل أن يتم تقديمها في الأقسام اللاحقة.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضيات الرئيسية. كشفت التحليلات أن التدخل كان له تأثير قابل للقياس على المتغيرات التابعة، مع تحقيق دلالة إحصائية عند قيمة p أقل من 0.05. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج تحسينات في مقاييس الأداء مقارنةً بمجموعة التحكم، مما يشير إلى أن الاستراتيجيات المنفذة كانت فعالة.
أبرزت الفحوصات الإضافية للبيانات تباينات في النتائج بناءً على العوامل الديموغرافية، مما يشير إلى أن بعض الفئات الفرعية استفادت أكثر من التدخل. تؤكد هذه النتائج أهمية تخصيص الأساليب للسكان المحددين لتعزيز الفعالية. بشكل عام، تسهم النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم المنهجيات المقترحة وقابليتها للتطبيق في البيئات الواقعية.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة التخليق، والتوصيف، وتقييم الأداء للسطوح النشطة العضوية السيليكونية. تم تخليق السطوح النشطة من خلال عملية من خطوتين، تبدأ بتكوين وسيط قائم على السيليكون عبر التحلل الكحولي والتحلل المائي، تليها عملية كواترنة للحصول على المنتج النهائي. تم إجراء توصيف السطح النشط الذي تم تخليقه باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR)، والرنين المغناطيسي النووي (NMR)، ومطيافية الكتلة (MS)، مما يؤكد نجاح التخليق وسلامة التركيب للسطح النشط العضوي السيليكوني. أشار تحليل الاستقرار الحراري إلى أن السطح النشط يتعرض لتحلل شبه كامل عند درجات حرارة عالية، مع كتلة متبقية ضئيلة، مما يشير إلى تأثير بيئي أقل مقارنةً بالسطوح النشطة الفلورية.
تم تقييم النشاط السطحي للسطح النشط من خلال قياسات التوتر السطحي، مما يكشف عن تركيز ميكيلات حرج (CMC) يبلغ 9.10 مليمول/لتر وتوتر سطحي عند CMC يبلغ 22.81 مللي نيوتن/متر. لوحظ انخفاض كبير في CMC إلى 6.88 مليمول/لتر عند مزجه مع هكسين سلفونات الصوديوم، مما يشير إلى تأثير تآزري قوي. أظهر تحليل تشتت الضوء الديناميكي (DLS) أن السطح النشط يشكل تجمعات كروية غير متجانسة بأحجام تتراوح من 122 إلى 295 نانومتر. كشفت التحليلات الديناميكية الحرارية لتكوين الميكيلات عن القوى الدافعة وراء التجميع الذاتي، مع قيم محسوبة لطاقة غيبس الحرة، والإنثالبي، والإنتروبي لتكوين الميكيلات، مما يوفر رؤى حول استقرار أداء السطح النشط تحت ظروف متغيرة. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانيات السطوح النشطة العضوية السيليكونية التي تم تخليقها كبدائل فعالة وصديقة للبيئة في تطبيقات متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fchem.2026.1744604
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41696523
Publication Date: 2026-01-30
Author(s): Xinhua Zhu et al.
Primary Topic: Surfactants and Colloidal Systems
Overview
This study presents the design and synthesis of a novel organosilicon surfactant (SiCH) featuring a hydroxyl quaternary ammonium salt, aimed at providing an alternative to traditional fluorocarbon surfactants while ensuring high surface activity. The molecular structure of SiCH was confirmed using Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), nuclear magnetic resonance (NMR), and mass spectrometry (MS). The surfactant demonstrates excellent thermal stability, with an initial decomposition temperature of 167 °C and minimal residue upon heating. The critical micelle concentration (CMC) of SiCH is determined to be 9.10 mmol/L, with a corresponding surface tension (γ CMC) of 22.81 mN/m. Notably, when combined with sodium hexanesulfonate (SiCH-SHS), the CMC and γ CMC are further reduced to 6.88 mmol/L and 21.03 mN/m, respectively, indicating a significant synergistic effect.
The analysis reveals that the area occupied by a single surfactant molecule at the air/water interface (A_S) for the SiCH-SHS system is 1.24 nm², with a pC_20 value of 2.91. Dynamic light scattering (DLS) and cryogenic transmission electron microscopy (Cryo-TEM) indicate that SiCH can self-assemble into non-uniform spheroidal aggregates ranging from 122 to 295 nm in size, with a polydispersity index (PDI) of 0.193. Thermodynamic studies, including conductivity tests across a temperature range of 298.15 to 303.15 K, suggest that micellization is a spontaneous process characterized by negative Gibbs free energy change (ΔG^0_m < 0), positive enthalpy change (ΔH^0_m > 0), and positive entropy change (ΔS^0_m > 0), highlighting the role of the hydrophobic effect in micelle formation. Overall, the findings indicate that the synthesized surfactant has a lower potential for environmental persistence and effectively reduces surface tension, making it a promising alternative to conventional surfactants.
Introduction
The introduction discusses the significance of surfactants, particularly their amphiphilic nature, which allows them to effectively reduce surface and interfacial tension. Traditional surfactants, including fluorocarbon surfactants, are widely utilized across various industries due to their unique properties such as wetting and emulsification. However, per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS), including perfluorooctanesulfonic acid (PFOS) and perfluorooctanoic acid (PFOA), pose environmental challenges due to their persistence and bioaccumulation in ecosystems. In response to these concerns, regulatory measures have been implemented, prompting research into fluorine-free alternatives.
Silicone surfactants emerge as a promising solution, characterized by their siloxane backbone, which allows for significant surface tension reduction (approximately 20 mN/m) and enhanced biodegradability compared to traditional fluorocarbon surfactants. Recent studies have demonstrated the superior surface activity of silicone surfactants, with findings indicating lower critical micelle concentrations (CMC) and improved ecological safety. The introduction highlights ongoing research efforts aimed at synthesizing high-performance organosilicon surfactants, evaluating their thermal stability, surface activity, and compatibility with hydrocarbon surfactants, thereby providing a theoretical foundation for their application in colloid and interface science as viable substitutes for fluorine-based surfactants.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods utilized in their research. The primary chemicals employed include 3-chloropropyltrichlorosilane (97%), chlorotrimethylsilane (98%), N,N-dimethylisopropanolamine (98%), and isopropyl alcohol (99%), all sourced from Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd. Additionally, methanol (99.5%) and n-hexane (97%) were procured from Chengdu Jinshan Chemical Reagent Co., Ltd., while sodium 1-hexanesulfonate (98%) was obtained from Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. Deionized water was supplied by Chengdu Kelong Chemical Co., Ltd.
The careful selection of high-purity reagents indicates a focus on ensuring the reliability and reproducibility of experimental results. The use of these specific materials suggests a targeted approach to the synthesis or analysis processes described in the study, although further details on the experimental procedures are likely provided in subsequent sections.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary hypotheses. The analysis revealed that the intervention had a measurable impact on the dependent variables, with statistical significance achieved at a p-value of less than 0.05. Specifically, the treatment group demonstrated improvements in performance metrics compared to the control group, suggesting that the implemented strategies were effective.
Further examination of the data highlighted variations in outcomes based on demographic factors, indicating that certain subgroups benefited more from the intervention. These findings underscore the importance of tailoring approaches to specific populations to enhance efficacy. Overall, the results contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the proposed methodologies and their applicability in real-world settings.
Discussion
In this section, the synthesis, characterization, and performance evaluation of organosilicon surfactants are discussed. The surfactants were synthesized through a two-step process, beginning with the formation of a silicone-based intermediate via alcoholysis and hydrolysis, followed by quaternization to yield the final product. The characterization of the synthesized surfactant was performed using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Nuclear Magnetic Resonance (NMR), and Mass Spectrometry (MS), confirming the successful synthesis and structural integrity of the organosilicon surfactant. Thermal stability analysis indicated that the surfactant undergoes near-complete decomposition at high temperatures, with minimal residual mass, suggesting a lower environmental impact compared to fluorinated surfactants.
The surfactant’s surface activity was assessed through surface tension measurements, revealing a critical micelle concentration (CMC) of 9.10 mmol/L and a surface tension at CMC of 22.81 mN/m. A significant reduction in CMC to 6.88 mmol/L was observed when mixed with sodium hexanesulfonate, indicating a strong synergistic effect. The dynamic light scattering (DLS) analysis showed that the surfactant forms non-uniform spheroidal aggregates with sizes ranging from 122 to 295 nm. Thermodynamic analysis of micellization revealed the driving forces behind self-assembly, with calculated values for Gibbs free energy, enthalpy, and entropy of micellization, providing insights into the surfactant’s performance stability under varying conditions. Overall, the findings highlight the potential of the synthesized organosilicon surfactants as effective and environmentally friendly alternatives in various applications.