গঠন, pH এবং আয়নিক অবস্থাভেদে কোকামিডোপ্রোপাইল বেটেইন-সোডিয়াম মিথাইল কোকোয়াইল টরেট-এর সালফেট-মুক্ত সারফ্যাক্ট্যান্ট মিশ্রণের রিওলজিক্যাল গতিবিদ্যার বৈশিষ্ট্য নিরূপণ

ভূমিকা

বিপরীত চার্জযুক্ত উপাদান দ্বারা গঠিত জলীয় বাইনারি সারফ্যাক্ট্যান্ট সিস্টেমগুলো প্রসাধনী, ঔষধশিল্প, কৃষি-রাসায়নিক এবং খাদ্য প্রক্রিয়াকরণ শিল্পসহ অসংখ্য শিল্প খাতে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়। এই সিস্টেমগুলোর ব্যাপক ব্যবহারের প্রধান কারণ হলো এদের উন্নত আন্তঃপৃষ্ঠীয় এবং প্রবাহতাত্ত্বিক কার্যকারিতা, যা বিভিন্ন ফর্মুলেশনে উন্নত কর্মক্ষমতা প্রদান করে। এই ধরনের সারফ্যাক্ট্যান্টগুলোর সমন্বিত স্ব-সমাবেশের মাধ্যমে কৃমির মতো, জটযুক্ত সমষ্টি গঠিত হয়, যা অত্যন্ত পরিবর্তনযোগ্য ম্যাক্রোস্কোপিক বৈশিষ্ট্য প্রদান করে, যার মধ্যে রয়েছে বর্ধিত ভিসকোইলাস্টিসিটি এবং হ্রাসকৃত আন্তঃপৃষ্ঠীয় টান। বিশেষত, অ্যানায়নিক এবং জুইটারআয়নিক সারফ্যাক্ট্যান্টের সংমিশ্রণ পৃষ্ঠীয় সক্রিয়তা, সান্দ্রতা এবং আন্তঃপৃষ্ঠীয় টান নিয়ন্ত্রণে সমন্বিত উন্নতি প্রদর্শন করে। এই আচরণগুলো সারফ্যাক্ট্যান্টের পোলার হেড গ্রুপ এবং হাইড্রোফোবিক টেইলের মধ্যে তীব্রতর ইলেকট্রোস্ট্যাটিক এবং স্টেরিক মিথস্ক্রিয়ার ফলে উদ্ভূত হয়, যা একক-সারফ্যাক্ট্যান্ট সিস্টেমের বিপরীত, যেখানে বিকর্ষী ইলেকট্রোস্ট্যাটিক বল প্রায়শই কর্মক্ষমতার সর্বোত্তম ব্যবহারকে সীমিত করে।

কোকামিডোপ্রোপাইল বেটেইন (CAPB; SMILES: CCCCCCCCCCCC(=O)NCCCN+ (C)CC([O−])=O) হলো একটি বহুল ব্যবহৃত উভধর্মী সারফ্যাক্ট্যান্ট, যা এর মৃদু পরিষ্কারক কার্যকারিতা এবং চুল কন্ডিশনিং করার গুণের জন্য প্রসাধনী ফর্মুলেশনে ব্যবহৃত হয়। CAPB-এর জুইটারআয়নিক প্রকৃতি অ্যানায়নিক সারফ্যাক্ট্যান্টের সাথে স্থিরবৈদ্যুতিক সমন্বয় সাধন করে, যা ফেনার স্থায়িত্ব বাড়ায় এবং ফর্মুলেশনের উন্নত কার্যকারিতা নিশ্চিত করে। গত পাঁচ দশকে, সালফেট-ভিত্তিক সারফ্যাক্ট্যান্টের সাথে CAPB-এর মিশ্রণ, যেমন CAPB–সোডিয়াম লরিল ইথার সালফেট (SLES), ব্যক্তিগত পরিচর্যার পণ্যগুলিতে একটি ভিত্তি হয়ে উঠেছে। তবে, সালফেট-ভিত্তিক সারফ্যাক্ট্যান্টের কার্যকারিতা থাকা সত্ত্বেও, ত্বকের প্রদাহ সৃষ্টির সম্ভাবনা এবং ইথোক্সিলেশন প্রক্রিয়ার উপজাত হিসেবে ১,৪-ডাইঅক্সেনের উপস্থিতি নিয়ে উদ্বেগের কারণে সালফেট-মুক্ত বিকল্পের প্রতি আগ্রহ বেড়েছে। সম্ভাবনাময় বিকল্পগুলির মধ্যে রয়েছে অ্যামিনো-অ্যাসিড-ভিত্তিক সারফ্যাক্ট্যান্ট, যেমন টরেট, সারকোসিনেট এবং গ্লুটামেট, যেগুলি উন্নত জৈব সামঞ্জস্যতা এবং মৃদু বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে [9]। তা সত্ত্বেও, এই বিকল্পগুলির তুলনামূলকভাবে বড় পোলার হেড গ্রুপগুলি প্রায়শই অত্যন্ত জটযুক্ত মাইসেলার কাঠামো গঠনে বাধা দেয়, যার ফলে রিওলজিক্যাল মডিফায়ার ব্যবহার করা অপরিহার্য হয়ে পড়ে।

সোডিয়াম মিথাইল কোকোয়াইল টরেট (SMCT; SMILES:
CCCCCCCCCCCC(=O)N(C)CCS(=O)(=O)O[Na]) হলো একটি অ্যানায়নিক সারফ্যাক্ট্যান্ট যা নারকেল থেকে প্রাপ্ত ফ্যাটি অ্যাসিড চেইনের সাথে এন-মিথাইলটরাইন (২-মিথাইলঅ্যামিনোইথেনসালফোনিক অ্যাসিড)-এর অ্যামাইড কাপলিংয়ের মাধ্যমে একটি সোডিয়াম লবণ হিসেবে সংশ্লেষিত হয়। SMCT-তে একটি অ্যামাইড-সংযুক্ত টরাইন হেডগ্রুপের পাশাপাশি একটি শক্তিশালী অ্যানায়নিক সালফোনেট গ্রুপ থাকে, যা এটিকে বায়োডিগ্রেডেবল এবং ত্বকের pH-এর সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ করে তোলে, যা এটিকে সালফেট-মুক্ত ফর্মুলেশনের জন্য একটি সম্ভাবনাময় উপাদান হিসেবে প্রতিষ্ঠিত করে। টরেট সারফ্যাক্ট্যান্টগুলো তাদের শক্তিশালী ডিটারজেন্সি, হার্ড-ওয়াটার সহনশীলতা, মৃদুতা এবং বিস্তৃত pH স্থিতিশীলতার জন্য পরিচিত।

শিয়ার ভিসকোসিটি, ভিসকোইলাস্টিক মডিউলি এবং ইল্ড স্ট্রেস সহ রিওলজিক্যাল প্যারামিটারগুলো সারফ্যাক্ট্যান্ট-ভিত্তিক পণ্যের স্থিতিশীলতা, টেক্সচার এবং কার্যকারিতা নির্ধারণে অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। উদাহরণস্বরূপ, উচ্চ শিয়ার ভিসকোসিটি সাবস্ট্রেট রিটেনশন উন্নত করতে পারে, অন্যদিকে ইল্ড স্ট্রেস প্রয়োগের পরে ত্বক বা চুলে ফর্মুলেশনটির লেগে থাকাকে নিয়ন্ত্রণ করে। এই ম্যাক্রোস্কোপিক রিওলজিক্যাল বৈশিষ্ট্যগুলো সারফ্যাক্ট্যান্টের ঘনত্ব, পিএইচ, তাপমাত্রা এবং সহ-দ্রাবক বা অ্যাডিটিভের উপস্থিতিসহ অসংখ্য কারণ দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয়। বিপরীত চার্জযুক্ত সারফ্যাক্ট্যান্টগুলো গোলাকার মাইসেল ও ভেসিকল থেকে শুরু করে লিকুইড ক্রিস্টালাইন ফেজ পর্যন্ত বিভিন্ন মাইক্রোস্ট্রাকচারাল রূপান্তরের মধ্য দিয়ে যেতে পারে, যা ফলস্বরূপ সামগ্রিক রিওলজিকে গভীরভাবে প্রভাবিত করে। অ্যাম্ফোটেরিক এবং অ্যানায়নিক সারফ্যাক্ট্যান্টের মিশ্রণ প্রায়শই লম্বাটে কৃমির মতো মাইসেল (WLM) গঠন করে, যা ভিসকোইলাস্টিক বৈশিষ্ট্যকে উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত করে। সুতরাং, পণ্যের কার্যকারিতা অপ্টিমাইজ করার জন্য মাইক্রোস্ট্রাকচার-বৈশিষ্ট্য সম্পর্ক বোঝা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

CAPB–SLES-এর মতো সদৃশ বাইনারি সিস্টেমের বৈশিষ্ট্যগুলির আণুবীক্ষণিক কাঠামোগত ভিত্তি ব্যাখ্যা করার জন্য অসংখ্য পরীক্ষামূলক গবেষণা করা হয়েছে। উদাহরণস্বরূপ, Mitrinova et al. [13] রিওমেট্রি এবং ডায়নামিক লাইট স্ক্যাটারিং (DLS) ব্যবহার করে CAPB–SLES–মিডিয়াম-চেইন কো-সারফ্যাক্ট্যান্ট মিশ্রণে মাইসেলের আকার (হাইড্রোডাইনামিক ব্যাসার্ধ) এবং দ্রবণের সান্দ্রতার মধ্যে সম্পর্ক স্থাপন করেছেন। যান্ত্রিক রিওমেট্রি এই মিশ্রণগুলির আণুবীক্ষণিক কাঠামোগত বিবর্তন সম্পর্কে ধারণা দেয় এবং ডিফিউজিং ওয়েভ স্পেকট্রোস্কোপি (DWS) ব্যবহার করে অপটিক্যাল মাইক্রোরিওলজি দ্বারা এটিকে আরও উন্নত করা যেতে পারে, যা প্রবেশযোগ্য ফ্রিকোয়েন্সি ডোমেনকে প্রসারিত করে এবং স্বল্প-সময়ের গতিবিদ্যাকে ধারণ করে, যা বিশেষত WLM শিথিলকরণ প্রক্রিয়ার জন্য প্রাসঙ্গিক। DWS মাইক্রোরিওলজিতে, সময়ের সাথে সাথে স্থাপিত কলয়েডাল প্রোবগুলির গড় বর্গ সরণ ট্র্যাক করা হয়, যা সাধারণীকৃত স্টোকস-আইনস্টাইন সম্পর্কের মাধ্যমে পারিপার্শ্বিক মাধ্যমের রৈখিক ভিসকোইলাস্টিক মডুলাস বের করতে সক্ষম করে। এই কৌশলের জন্য শুধুমাত্র ন্যূনতম নমুনার পরিমাণ প্রয়োজন এবং তাই এটি সীমিত উপাদান প্রাপ্যতার সাথে জটিল তরল, যেমন প্রোটিন-ভিত্তিক ফর্মুলেশন, অধ্যয়নের জন্য সুবিধাজনক। বিস্তৃত ফ্রিকোয়েন্সি বর্ণালী জুড়ে < Δr²(t)> ডেটার বিশ্লেষণ মেশ সাইজ, এনট্যাঙ্গলমেন্ট লেংথ, পারসিস্টেন্স লেংথ এবং কন্ট্যুর লেংথের মতো মাইসেলার প্যারামিটারগুলির অনুমানকে সহজতর করে। আমিন ও তার সহকর্মীরা দেখিয়েছেন যে CAPB–SLES মিশ্রণগুলি কেটসের তত্ত্বের ভবিষ্যদ্বাণী মেনে চলে, যেখানে একটি সংকটপূর্ণ লবণ ঘনত্ব পর্যন্ত লবণ যোগ করার সাথে সাথে সান্দ্রতার একটি সুস্পষ্ট বৃদ্ধি দেখা যায়, যার পরে সান্দ্রতা দ্রুত হ্রাস পায়—যা WLM সিস্টেমের একটি সাধারণ প্রতিক্রিয়া। জু এবং আমিন SLES–CAPB–CCB মিশ্রণগুলি পরীক্ষা করার জন্য মেকানিক্যাল রিওমেট্রি এবং DWS ব্যবহার করেন, যা একটি ম্যাক্সওয়েলিয়ান রিওলজিক্যাল প্রতিক্রিয়া প্রকাশ করে, যা জটযুক্ত WLM গঠনের ইঙ্গিত দেয় এবং যা DWS পরিমাপ থেকে প্রাপ্ত মাইক্রোস্ট্রাকচারাল প্যারামিটার দ্বারা আরও সমর্থিত হয়েছিল। এই পদ্ধতিগুলির উপর ভিত্তি করে, বর্তমান গবেষণাটি মেকানিক্যাল রিওমেট্রি এবং DWS মাইক্রোরিওলজিকে একীভূত করে এটি ব্যাখ্যা করার জন্য যে কীভাবে মাইক্রোস্ট্রাকচারাল পুনর্গঠন CAPB–SMCT মিশ্রণের শিয়ার আচরণকে চালিত করে।

আরও মৃদু এবং টেকসই পরিষ্কারক পদার্থের ক্রমবর্ধমান চাহিদার পরিপ্রেক্ষিতে, ফর্মুলেশনের চ্যালেঞ্জ থাকা সত্ত্বেও সালফেট-মুক্ত অ্যানায়নিক সারফ্যাক্ট্যান্টের অনুসন্ধান গতি লাভ করেছে। সালফেট-মুক্ত সিস্টেমগুলির স্বতন্ত্র আণবিক গঠন প্রায়শই ভিন্ন ভিন্ন রিওলজিক্যাল প্রোফাইল তৈরি করে, যা লবণ বা পলিমারিক থিকেনিং-এর মতো সান্দ্রতা বৃদ্ধির প্রচলিত কৌশলগুলিকে জটিল করে তোলে। উদাহরণস্বরূপ, ইয়র্ক এবং তার সহকর্মীরা অ্যালকাইল ওলেফিন সালফোনেট (AOS), অ্যালকাইল পলিগ্লুকোসাইড (APG), এবং লরিল হাইড্রোক্সিসালটেইন সমন্বিত বাইনারি এবং টারনারি সারফ্যাক্ট্যান্ট মিশ্রণের ফোমিং এবং রিওলজিক্যাল বৈশিষ্ট্যগুলি পদ্ধতিগতভাবে তদন্ত করে নন-সালফেট বিকল্পগুলি অন্বেষণ করেছেন। AOS–সালটেইনের ১:১ অনুপাত CAPB–SLES-এর অনুরূপ শিয়ার-থিনিং এবং ফোমের বৈশিষ্ট্য দেখিয়েছে, যা WLM গঠনের ইঙ্গিত দেয়। রাজপুত এবং তার সহকর্মীরা [26] DLS, SANS, এবং রিওমেট্রির মাধ্যমে নন-আয়নিক কো-সারফ্যাক্ট্যান্ট (কোকামাইড ডাইইথানলঅ্যামাইন এবং লরিল গ্লুকোসাইড)-এর পাশাপাশি আরেকটি সালফেট-মুক্ত অ্যানায়নিক সারফ্যাক্ট্যান্ট, সোডিয়াম কোকোইল গ্লাইসিনেট (SCGLY)-এর মূল্যায়ন করেছে। যদিও SCGLY একাই প্রধানত গোলাকার মাইসেল তৈরি করেছিল, কো-সারফ্যাক্ট্যান্ট যোগ করার ফলে আরও জটিল মাইসেলার আকারবিদ্যা তৈরি করা সম্ভব হয়েছিল, যা pH-চালিত পরিবর্তনের জন্য উপযুক্ত।

এই অগ্রগতি সত্ত্বেও, CAPB এবং টরেট সমন্বিত টেকসই সালফেট-মুক্ত সিস্টেমের রিওলজিক্যাল বৈশিষ্ট্য নিয়ে তুলনামূলকভাবে কম গবেষণা হয়েছে। এই গবেষণাটি CAPB–SMCT বাইনারি সিস্টেমের অন্যতম প্রথম পদ্ধতিগত রিওলজিক্যাল বৈশিষ্ট্য বিশ্লেষণের মাধ্যমে এই শূন্যস্থান পূরণের লক্ষ্য রাখে। সারফ্যাক্ট্যান্টের গঠন, pH এবং আয়নিক শক্তি পদ্ধতিগতভাবে পরিবর্তন করে, আমরা শিয়ার ভিসকোসিটি এবং ভিসকোইলাস্টিসিটি নিয়ন্ত্রণকারী উপাদানগুলো ব্যাখ্যা করি। মেকানিক্যাল রিওমেট্রি এবং DWS মাইক্রোরিওলজি ব্যবহার করে, আমরা CAPB–SMCT মিশ্রণের শিয়ার আচরণের অন্তর্নিহিত মাইক্রোস্ট্রাকচারাল পুনর্গঠনের পরিমাণ নির্ধারণ করি। এই ফলাফলগুলো WLM গঠনকে উৎসাহিত বা বাধা দেওয়ার ক্ষেত্রে pH, CAPB–SMCT অনুপাত এবং আয়নিক স্তরের মধ্যেকার পারস্পরিক ক্রিয়া ব্যাখ্যা করে, যার ফলে বিভিন্ন শিল্পক্ষেত্রে ব্যবহারের জন্য টেকসই সারফ্যাক্ট্যান্ট-ভিত্তিক পণ্যের রিওলজিক্যাল প্রোফাইলকে প্রয়োজন অনুযায়ী তৈরি করার ক্ষেত্রে বাস্তবসম্মত ধারণা পাওয়া যায়।