Мицеллы представляют собой агрегаты амфифильных молекул (поверхностно-активных веществ, ПАВ) в растворе, образующиеся при достижении критической концентрации мицеллообразования (ККМ). Амфифильные молекулы обладают гидрофильной головой и гидрофобным хвостом. В водной среде гидрофобные участки стремятся избегать контакта с водой, что приводит к самособиранию молекул в агрегаты — мицеллы.
Ключевым параметром является ККМ, при которой число свободных молекул ПАВ в растворе стабилизируется, а дальнейшее увеличение концентрации ведёт преимущественно к росту числа мицелл, а не увеличению количества мономера в растворе.
Мицеллы могут иметь различные формы: сферические, цилиндрические, листовые или дискоидные, в зависимости от концентрации, температуры, природы растворителя и соотношения гидрофильного и гидрофобного компонентов молекул.
Сферическая мицелла формируется, когда гидрофобные хвосты молекул собираются в сердцевину, а гидрофильные головки ориентированы наружу, контактируя с растворителем. Такая структура минимизирует свободную энергию системы, снижая контакт гидрофобных частей с водой.
Цилиндрические и дискоидные мицеллы образуются при увеличении концентрации ПАВ или изменении температуры. Длинные гидрофобные цепи склонны к упорядочиванию в цилиндрические агрегаты, а плоские молекулы могут формировать дискоидные структуры.
Температура влияет на размер и форму мицелл. При повышении температуры увеличивается кинетическая энергия молекул, что может приводить к увеличению радиуса мицелл и переходу к более сложным формам.
Концентрация ПАВ определяет не только образование мицелл, но и их агрегированное число (aggregation number) — количество молекул в одной мицелле. Для большинства низкомолекулярных ПАВ агрегированное число находится в пределах 50–100.
Мицеллы не являются статичными структурами. Они находятся в состоянии динамического равновесия с молекулами ПАВ в растворе. Молекулы постоянно покидают и присоединяются к мицелле, что обеспечивает динамическое равновесие и стабилизацию структуры.
Эта динамичность влияет на способность мицелл захватывать и переносить гидрофобные вещества, что лежит в основе их использования в качестве носителей лекарственных соединений и детергентов.
Природа растворителя оказывает решающее влияние на мицеллообразование. Вода, обладая высокой полярностью и структурированием водородных связей, способствует сильной гидрофобной ассоциации. В органических растворителях с низкой полярностью образование мицелл может быть подавлено или проявляться в иной форме.
Ионные условия раствора также критичны для ионных ПАВ. Наличие электролитов снижает электростатическое отталкивание между заряженными головками и уменьшает ККМ, способствуя более плотной упаковке молекул в мицелле.
Мицеллы играют ключевую роль в растворении гидрофобных веществ, стабилизации коллоидных систем и каталитических процессах. Они обеспечивают среду с локально различной полярностью: гидрофобная сердцевина захватывает неводные молекулы, а гидрофильная оболочка взаимодействует с водным раствором.
Эта структура также лежит в основе формирования везикул, микропемб и других сложных самособирающихся систем, используемых в фармацевтике и нанотехнологиях.