T67. MAGNETIC SCIENCE: DEVELOPING A NEW SURFACTANT by Julian Eastoe, University of Bristol, UK

It has been estimated that each person in the European Union uses about 10 kg of detergents annually. This includes not only the bars of soap, shampoos, toothpastes, washing powders and household cleaning agents we are familiar with, but also detergent-type compounds found in fuels, pharmaceuticals and even foods and beer. In industry, huge quantities of detergents are used, for example in commercial laundries, in preparing cloth and leather for dyeing, in car washes and for cleaning and sanitising hospitals.

Once they have performed their cleaning task, the residues are simply washed away into the sewers and eventually released into the environment. Imagine that instead these residues could be recovered. This essay describes some research into recyclable detergents that can be collected and re-used simply by switching a magnetic field on and off.

Soaps, detergents and surfactants

Surfactants are compounds that lower the surface tension of a liquid, making them suitable for applications such as emulsifiers, foaming agents, wetting agents and dispersants, for example. Surfactants or mixtures of surfactants that are used in cleaning are known as detergents. The simplest and oldest of all detergents is soap, used in Babylon almost 5000 years ago; in fact, soap manufacture is one of the oldest chemical industries.

Figure 1: Sodium dodecanoate, C11H23COO-Na⁺, showing the long hydrophobic hydrocarbon tail and the hydrophilic carboxylate head structure. (Image courtesy of the University of Bristol)

Sodium dodecanoate (figure 1) demonstrates the general structure for all surfactants: one part of the molecule is hydrophilic, meaning it will be soluble in water as it has a charged ‘head’, and the rest of the molecule is an oily hydrophobic ‘tail’. The ability of a detergent to dissolve in water is due to a balance of intermolecular forces. The head is a negatively charged carboxylate ion able to form hydrogen bonds with water, whereas the hydrophobic tail cannot hydrogen bond because it is a long alkane chain, with no electronegative elements present. This explains why surfactants aggregate in clusters, known as micelles (figure 2), which are essential for the action of detergent cleaners.

Figure 2: Structure of a micelle, the basic structure needed for detergents to clean greasy stains.(Image courtesy of Mariana Ruiz Villarreal; image source: Wikimedia Commons)

As shown in Figure 2, the two ends of the detergent behave differently with non-polar stains such as grease. The hydrophobic tails interact with the grease, while the hydrophilic heads attract water molecules through hydrogen bonding. As a consequence, the grease can be incorporated into the oily central core (A) of the micelle. The hydrophobic tails (B) interact with the oil and grease (A), while the hydrophilic heads (C) hydrogen bond with the aqueous solution (D). After a little agitation, the grease leaves the material to which it was attached, forming detergent droplets containing grease; the droplet surfaces consist of the water-soluble hydrophilic heads. The grease is therefore removed from the material and held in the water by these micelles (figure 2).

Developing magnetic surfactants

A research group at the University of Bristol (UK) is currently working on a new type of surfactant: magnetic surfactants, which respond to a magnetic field as a result of iron atoms in their head groups (figures 3 and 4). These surfactants could have both environmental and medical applications. How were the magnetic surfactants developed? And how do you prove that you really have produced a magnetic surfactant?

Figure 3: Developing a magnetic surfactant from a conventional surfactant.

A) The structure of dodecyltrimethylammonium bromide, a non-magnetic surfactant that the Bristol group took as one of the starting materials.

B) The structure of dodecyltrimethylammonium trichlorobromoferrate, one of the magnetic surfactants that the Bristol group is working on.

To begin with, the Bristol researchers took a known surfactant and replaced its bromine group with an iron-containing group (figure 3). They then demonstrated that the compound still functioned as a surfactant: it was capable of lowering the surface tension of liquids, and could cause them to foam. Next, the group demonstrated (Figure 4) that the iron in the head group had conferred the desired magnetic activity. The presence of iron in the magnetic surfactant explains the attraction seen in Figure 4.

Figure 4: The effects of a magnet on solutions of normal (left, with added dye to show the two layers) and magnetic (right) surfactants. (Image courtesy of the University of Bristol)

To learn more, read the full article at: http://www.scienceinschool.org/2012/issue25/soap

Reference:
Brown P et al. (2012a) Magnetic emulsions with responsive surfactants. Soft Matter 8: 7545-7546. DOI: 10.1039/C2SM26077H

CIÊNCIA MAGNÉTICA: DESENVOLVENDO UM NOVO SURFACTANTE por Julian Eastoe, Universidade de Bristol, Reino Unido

Traduzido por Natanael F. França Rocha, Florianópolis, Brazil

Estima-se que cada pessoa na União Europeia utiliza cerca de 10 kg de detergentes anualmente. Isso inclui não apenas barras de sabão, xampus, cremes dentais, sabões em pó e produtos de limpeza domésticos que estamos acostumados, mas também compostos tipo-detergente encontrados em combustíveis, produtos farmacêuticos e até mesmo em alimentos ou na cerveja. Na indústria, grandes quantidades de detergentes são utilizadas, por exemplo, em lavanderias comerciais, na preparação de tecido e couro para tingimento, em lavagens de carros e para a limpeza e desinfecção de hospitais.

Depois de terem realizado a sua tarefa de limpeza, os resíduos são simplesmente lançados nos esgotos até chegarem a seu destino final: o meio ambiente. Já imaginou se esses resíduos pudessem ser recuperados? Este artigo descreve uma pesquisa sobre detergentes recicláveis que podem ser recolhidos e reutilizados, simplesmente ativando e desativando um campo magnético.

Sabões, detergentes e surfactantes

Surfactantes são compostos que reduzem a tensão superficial de um líquido, tornando-o adequado para aplicações, por exemplo, emulsificante, agente espumante, agente umedecedor e dispersante. Surfactantes ou misturas de surfactantes usados na limpeza são conhecidos como detergentes. O mais simples e mais antigo de todos os detergentes é o sabão, utilizado na Babilônia quase 5000 anos atrás. Na verdade, a fabricação do sabão é um dos processos químicos industriais mais antigos.

Figura 1: Dodecanoato de sódio, C11H23COO-Na⁺ mostrando a longa cauda de hidrocarbonetos hidrofóbicos e a estrutura cabeça de carboxilato hidrofílico. (Imagem cortesia da Universidade de Bristol)

O dodecanoato de sódio (Figura 1) mostra a estrutura geral de todos os surfactantes: uma parte da molécula é hidrofílica, o que significa que será solúvel em água, uma vez que tem uma ‘cabeça’ carregada, e o resto da molécula é uma ‘cauda’ hidrofóbica oleosa. A capacidade de um detergente se dissolver em água é devido a um equilíbrio das forças intermoleculares. A cabeça é um íon de carboxilato negativamente carregado capaz de formar ligações de hidrogênio com a água, enquanto que a cauda hidrofóbica não consegue fazer ligações de hidrogênio, pois é uma longa cadeia de alcano e sem elementos eletronegativos presentes. Isto explica porque os surfactantes formam aglomerados, conhecidos como micelas (Figura 2), que são essenciais para a ação de limpeza do detergente.

Figura 2: Estrutura de uma micela, a estrutura básica necessária aos detergentes para limpar as manchas de gordura (Imagem cortesia de Mariana Ruiz Villarreal; Fonte: Wikimedia Commons).

Como mostrado na Figura 2, as duas extremidades do detergente se comportam de maneiras diferentes com manchas não-polares como as de gordura. As caudas hidrofóbicas interagem com a gordura, enquanto que as cabeças hidrofílicas atraem moléculas de água através de ligações de hidrogênio. Como consequência, a gordura pode ser incorporada ao núcleo oleoso central (A) da micela. As caudas hidrofóbicas (B) interagem com o óleo e a gordura (A), enquanto que as cabeças hidrofílicas fazem ligações de hidrogênio (C) com a solução aquosa (D). Depois de um pouco de agitação, a gordura se desprega do material onde estava, formando gotículas de detergentes contendo gordura; as superfícies das gotículas são formadas pelas cabeças hidrofílicas solúveis em água. A gordura é, portanto, removida do material e retida na água pelas micelas (Figura 2).

Desenvolvendo surfactantes magnéticos

Um grupo de pesquisa da Universidade de Bristol (Reino Unido) está atualmente investigando um novo tipo de surfactante: os surfactantes magnéticos, que respondem a um campo magnético em virtude de átomos de ferro em seus grupos cabeça (Figuras 3 e 4). Esses surfactantes podem ter aplicações médicas e ambientais. Mas, como os surfactantes magnéticos foram desenvolvidos? E como comprovar que realmente foi produzido um surfactante magnético?

Figura 3: Desenvolvendo um surfactante magnético a partir de um agente surfactante convencional

A) Estrutura do brometo de dodeciltrimetilamônio, um surfactante não-magnético que o grupo de pesquisa de Bristol utilizou como um dos materiais de partida.

B) Estrutura do triclorobromoferrato de dodeciltrimetilamônio, um dos surfactantes magnéticos que o grupo de Bristol está pesquisando.

De início, os pesquisadores de Bristol pagaram um surfactante conhecido e substituíram seu grupo de bromo por um grupo contendo ferro (Figura 3). Em seguida, eles demonstraram que o composto ainda funcionava como um surfactante: era capaz de reduzir a tensão superficial dos líquidos e os fazia espumar. Depois, o grupo demonstrou que o ferro no grupo cabeça havia conferido a atividade magnética desejada. A presença de ferro no surfactante magnético explica a atração vista na Figura 4.

Figura 4: Os efeitos de um ímã sobre soluções de surfactantes normais (à esquerda, com corante adicionado para mostrar as duas camadas) e magnéticos (à direita). (Imagem cortesia da Universidade de Bristol)

Para saber mais, leia o artigo na íntegra em: http://www.scienceinschool.org/2012/issue25/soap

Referência:
Brown P et al. (2012a) Magnetic emulsions with responsive surfactants. Soft Matter 8: 7545-7546. DOI: 10.1039/C2SM26077H

CIENCIA MAGNÉTICA: DESARROLLANDO UN NUEVO SURFACTANTE por Julian Eastoe, Universidad de Bristol, Reino Unido

Traducción de Natanael F. França Rocha, Florianópolis, Brasil y revisión de Carlos Bravo Diaz, Universidad de Vigo, España.

Se ha estimado que cada persona en la Unión Europea utiliza cerca de 10 kg de detergentes anualmente. Esto incluye no sólo las pastillas de jabón, champús, pastas de dientes, jabones en polvo y productos de limpieza para el hogar que nos son familiares, pero también detergentes que se encuentran en los combustibles, productos farmacéuticos e incluso en los alimentos y en la cerveza. En la industria son utilizadas grandes cantidades de detergentes en, por ejemplo, lavanderías comerciales, en la preparación de telas y cuero para el teñido, en lavados de autos y para la limpieza y desinfección de hospitales.

Una vez que han cumplido su tarea de limpieza, los residuos son simplemente arrastrados a las alcantarillas y posteriormente liberados en el medio ambiente. Imagínese que estos residuos pudieran ser recuperados. Este ensayo describe algunas investigaciones acerca de detergentes reciclables que pueden ser recogidos y reutilizados simplemente activando y desactivando un campo magnético.

Jabones, detergentes y surfactantes

Los surfactantes son compuestos que reducen la tensión superficial de un líquido, que le hace adecuado para aplicaciones como, por ejemplo, emulsionantes y agentes espumantes, humectantes y dispersantes. Los surfactantes o mezclas de surfactantes utilizados en la limpieza son conocidos como detergentes. El más simple y más antiguo de todos los detergentes es el jabón, utilizado en Babilonia hace casi 5000 años; de hecho, la fabricación de jabón es uno de los procesos químicos industriales más antiguos.

Figura 1: Dodecanoato de sodio, C11H23COO-Na⁺, mostrándose la larga cola hidrocarbonada hidrófoba y la estructura hidrófila del grupo de cabeza carboxilato. (Imagen cortesía de la Universidad de Bristol)

El dodecanoato de sodio (Figura 1) muestra la estructura general de todos los surfactantes: una parte de la molécula es hidrófila, lo que significa que será soluble en agua, ya que tiene una ‘cabeza’ cargada, y el resto de la molécula es una ‘cola’ hidrófoba oleosa. La capacidad de un detergente disolverse en agua se debe a un equilibrio de fuerzas intermoleculares. La cabeza es un ion de carboxilato cargado negativamente capaz de formar enlaces de hidrógeno con el agua, mientras que la cola hidrófoba no puede formar enlaces de hidrógeno debido a que es una larga cadena alquílica, que no tiene elementos electronegativos presentes. Esto explica por qué los surfactantes forman conglomerados, conocidos como micelas (Figura 2), que son esenciales para la acción de limpieza de los detergentes.

Figura 2: Estructura de una micela, la estructura básica necesaria a los detergentes para limpiar manchas de grasa (Imagen cortesía de Mariana Ruiz Villarreal; Fuente: Wikimedia Commons).

Como se muestra en la Figura 2, los dos extremos del detergente se comportan de manera diferente con manchas no polares tales como las de grasa. Las colas hidrófobas interactúan con la grasa, mientras que las cabezas hidrófilas atraen moléculas de agua a través de enlaces de hidrógeno. Como consecuencia, la grasa se puede incorporar en el núcleo oleoso central (A) de la micela. Las colas hidrófobas (B) interaccionan con el óleo y la grasa (A), mientras que las cabezas hidrófilas (C) forman enlaces de hidrógeno con la solución acuosa (D). Después de un poco de agitación, la grasa se desprenden del material en que estaban, formandose gotitas de detergente que contienen la grasa; las superficies de las gotitas están constituidas por las cabezas hidrófilas solubles en agua. La grasa es por lo tanto eliminada del material y retenida en el agua por estas micelas (Figura 2).

Desarrollando surfactantes magnéticos

Un grupo de investigación en la Universidad de Bristol (Reino Unido) está trabajando actualmente en un nuevo tipo de surfactante: los surfactantes magnéticos, los cuales responden a un campo magnético como resultado de la presencia de átomos de hierro en sus grupos cabeza (Figuras 3 y 4). Estos surfactantes poden tener aplicaciones ambientales y médicas. ¿Cómo fueron desarrollados los surfactantes magnéticos? ¿Y cómo comprobar que realmente se ha producido un surfactante magnético?

Figura 3: Desarrollando un surfactante magnético a partir de un surfactante convencional.

A) La estructura del bromuro de dodeciltrimetilamónio, un agente surfactante no-magnético que el grupo de investigación de Bristol empleó como uno de los materiales de partida.

B) La estructura del triclorobromoferrato de dodeciltrimetilamónio, uno de los surfactantes magnéticos que el grupo de Bristol está investigando.

Para empezar, los investigadores de Bristol emplearon un surfactante conocido y sustituyeron su contraion bromuro por un grupo que conteniene hierro (Figura 3). A continuación, demostraron que el compuesto funcionaba como un agente surfactante: era capaz de reducir la tensión superficial de los líquidos y los hacían espumar. Posteriormente, el grupo demostró que el hierro del grupo de cabeza había conferido la actividad magnética deseada. La presencia de hierro en el surfactante magnético explica la atracción como se ve en la Figura 4.

Figura 4: Efectos de un imán sobre disoluciones de surfactantes normales (a la izquierda, con colorante añadido para mostrar las dos capas) y magnéticos (a la derecha). (Imagen cortesía de la Universidad de Bristol)

Para obtener más información, lea el artículo completo en: http://www.scienceinschool.org/2012/issue25/soap

Referencia:
Brown P et al. (2012a) Magnetic emulsions with responsive surfactants. Soft Matter 8: 7545-7546. DOI: 10.1039/C2SM26077H