Coarse-Grained Mean-Field Simulations of Surfactant Micelles: Static and Dynamic Equilibrium Properties

Abstract

Les molècules de surfactants estan compostes per seccions hidrofíliques i hidrofòbiques del qual les interaccions oposades amb el medi solvent deriven en un comportament particular on, a una concentració de surfactant coneguda com la concentració crítica micel·lar (CMC), els surfactants s'associen en micel·les. No obstant això, malgrat el gran nombre de treballs de simulació, experimentals i teòrics, sembla estar encara incomplet l'enteniment a nivell microscòpic de l'acte assemblage de surfactants en agregats micelars. A la recerca d'un millor enteniment del procés de micelización i el seu impacte en propietats microscòpiques i macroscòpiques, aquest treball fa servir el mètode single-chain mean-field (SCMF) per a un grup de sistemes de surfactants representats per una sèrie de models de grans. En particular, el treball aborda: (i) l'estudi de propietats estàtiques d'equilibri per a diferents sistemes de surfactants i l'anàlisi de desviacions experimentals de propietats d'equilibri per surfactants gemini del qual les escales de longitud disminueixen la possibilitat de ser estudiats pels mètodes de simulació usuals, i, (ii) el desenvolupament d'una versió dinàmica del SCMF per obtenir propietats dinàmiques en equilibri que ens permetin estudiar el fenomen d'intercanvi cinètic en sistemes micelars.

Las moléculas de surfactantes están compuestas por secciones hidrofílicas e hidrofóbicas cuyas interacciones opuestas con el medio solvente derivan en un comportamiento particular donde, a una concentración de surfactante conocida como la concentración crítica micelar (CMC), los surfactants se asocian en micelas. No obstante, a pesar del gran número de trabajos de simulación, experimentales y teóricos, parece estar aún incompleto el entendimiento a nivel microscópico del auto ensamblaje de surfactantes en agregados micelares. En busca de un mejor entendimiento del proceso de micelización y su impacto en propiedades microscópicas y macroscópicas, este trabajo usa el método single-chain mean-field (SCMF) para un grupo de sistemas de surfactantes representados por una serie de modelos de granos. En particular, el trabajo aborda: (i) el estudio de propiedades estáticas de equilibrio para diferentes sistemas de surfactantes y el análisis de desviaciones experimentales de propiedades de equilibrio para surfactantes gemini cuyas escalas de longitud disminuyen la posibilidad de ser estudiados por los métodos de simulación usuales, y, (ii) el desarrollo de una versión dinámica del SCMF para obtener propiedades dinámicas en equilibrio que nos permitan estudiar el fenómeno de intercambio cinético en sistemas micelares.

Surfactants molecules are composed by hydrophilic and hydrophobic moieties whose opposite interactions with the solvent medium result in a particular behavior where, at a surfactant concentration known as the critical micelle concentration (CMC), the surfactants self-associate into micelles. However, despite the wide number of simulation, experimental and theoretical works, microscopic understanding of the self-assembly of surfactants into micellar aggregates seems to be still incomplete. Looking for a deep knowledge of the micellization process and its impact on microscopic and macroscopic properties, this work is aimed to use the single-chain mean-field (SCMF) theory for a diverse set of surfactant systems represented by a series of coarse-grained models. In particular, the work coverages the following: (i) the study of static equilibrium properties of different surfactant systems and the analysis of experimental deviations of equilibrium properties for gemini surfactant systems whose length scales decrease the possibility of being studied by regular simulation methods, and, (ii) development of a dynamic version of the SCMF scheme, to obtain dynamic equilibrium properties that enable us to study kinetics exchange phenomena in micellar systems.