CONCEPTO DE CONCENTRACIÓN MICELAR CRÍTICA

Por: Mary Luz Lugo

La síntesis de materiales mesoporosos ordenados requiere del empleo, en disolución acuosa, de moléculas tensoactivas, generalmente conocidos como surfactantes. En la Figura 1 se observa un esquema del surfactante y de las micelas. Las micelas son el arreglo geométrico que generan las moléculas de surfactante cuando están en solución.

Figura 1. Representación de las moléculas de surfactante y de las micelas

La concentración micelar crítica CMC-1 se define como la concentración más baja a la cual se observa la formación de micelas esféricas. La segunda concentración micelar critica (CMC-2) es la concentración a la cual las micelas esféricas comienzan a transformarse en micelas cilíndricas. La concentración requerida para la formación de ambas micelas depende de las condiciones de síntesis, tales como tipo de surfactante y temperatura. (1) En esas condiciones, cuando la concentración del tensoactivo en disolución alcanza un valor umbral, es decir, la concentración micelar crítica, las moléculas de éste forman agregados denominados micelas, cuya forma y tamaño depende esencialmente de la naturaleza y composición química, de la concentración y de la temperatura. Aunque factores como el pH y la concentración total salina también influyen en el proceso de agregación.

A su vez, las micelas se agrupan formando estructuras supramicelares, y la naturaleza de las distintas fases micelares varía en función de la concentración y la temperatura. En general, “a temperaturas moderadas, las micelas cilíndricas se agrupan formando primeramente una fase hexagonal, que evoluciona hacia una fase cúbica (isotrópica) y posteriormente a una estructura laminar a medida que la concentración del tensoactivo aumenta. En el proceso de síntesis de los materiales mesoporosos ordenados constituidos por un esqueleto de sílice, los oligómeros de silicato presentes en disolución acuosa condensan entre sí alrededor de las micelas, que actúan a modo de “plantilla” o templante.

En el caso de tensoactivos catiónicos, se produce una fuerte interacción electrostática entre la parte polar hidrófila del templante cargado positivamente, -[N(CH3)3]+, y los oligómeros de silicato cargados negativamente. Finalmente, y como resultado del proceso de ensamblaje de las especies de silicato en disolución y las micelas, se obtiene un producto sólido, que contiene una elevada cantidad de surfactante ocluido en su interior. La eliminación posterior de este componente orgánico mediante extracción del sólido con disolventes adecuados, o mediante calcinación en aire a temperaturas elevadas, deja en el interior de la matriz silícea un conjunto de cavidades que constituyen, en cierto modo, una réplica, es decir, un “negativo” de la morfología de las micelas incorporadas en el material durante la síntesis. Las dimensiones y la topología o arquitectura de esas cavidades vacías, así como la naturaleza química de la superficie del esqueleto inorgánico que las delimita van a determinar, posteriormente, las propiedades fisicoquímicas del material que son ampliamente utilizados en la industria. (2)

La síntesis de MCM-41 (Mobil Composition of Matter) implica el uso de geles de aluminosilicatos en presencia del surfactante cloruro de hexadeciltrimetilamonio (C16H33(CH3)3N+Cl-)(CTAC). El mecanismo por el cual se forman estas mesoestructuras ordenadas se designa como mecanismo del “liquid-crystal templating”. Aquí, el ion de amonio cuaternario, el cual actúa como agente director de la estructura, forma micelas que se agregan en un cristal líquido. El término “template” se asocia con el cristal líquido porque éste determina la mesoestructura del material sólido. Dependiendo de las condiciones de síntesis, tales como temperatura y relación molar de surfactante/aluminosilicato, la fase cristal líquido puede tener una estructura hexagonal, cúbica o laminar, como se representa en la Figura 2.

Figura 2. Estructura de materiales mesoporosos

 M41S: MCM-41 2D hexagonal, 

MCM-48 cubico, MCM-50 laminar.

Por ejemplo, en el caso de la MCM-41, el “template” (cristal líquido) consiste en una formación hexagonal de micelas cilíndricas, por lo cual debe alcanzarse, mediante las condiciones de síntesis, la segunda concentración micelar critica, en las cuales las cadenas hidrocarbonadas hidrofóbicas se reúnen en el centro formando el corazón de la micela, mientras que los grupos polares se orientan hacia la superficie, en contacto con el medio acuoso. Tras la adición del precursor inorgánico, éste interacciona con la micela, creando paredes inorgánicas entre el ordenamiento hexagonal de las micelas cilíndricamente agregadas. Tras la calcinación, el surfactante se elimina fuera de los poros, dejando un material mesoporoso formado por cilindros huecos en un ordenamiento hexagonal.

Trabajos citados:
1. Merino, María Dolores Esquivel. Servicio de Publicaciones de la Universidad de Córdoba. Universidad de Córdoba. [En línea] 2011. http://helvia.uco.es/xmlui/bitstream/handle/10396/5222/9788469447673.pdf?sequence=1. ISBN-13: 978-84-694-4767-3.
2. González, José Luis Prin y Ernesto Bastardo.  XIII Congreso Venezolano de Microscopía y Microanálisis, 2008.