Surfactants: What are they and where are they hidden? | Les tensioactifs : de quoi parle-t-on et où se cachent-ils ?

International audience

anglais. Surfactants are molecules capable of positioning themselves at the interface between two immiscible media, such as the water/air interface or the water/oil interface, and of acting on the molecular interactions between these two media. Chemically, these active molecules have two parts: a hydrophilic part, soluble in water, and a hydrophobic part, often made up of hydrocarbon or fluorocarbon chains, which interact with nonpolar substances such as fats or oils. This amphiphilic character allows them to accumulate at the interface between two immiscible media. This positioning, combined with their physicochemical properties, is the origin of their action on surface or interfacial tension. The effect of the surfactant results in a reduction of this tension, i.e., the energy required to maintain the interface, thus altering the molecular interactions between the two phases. In the absence of surfactants, the interfacial tension between two immiscible phases is high due to cohesive forces within each medium and weak interactions between molecules of one phase and those of the other phase. The high interfacial tension results in the formation of distinct layers, each corresponding to one of the phases. For example, to minimize the contact surface between oil and water, a drop of oil remains spherical when added to an aqueous solution. When the volume of the oil phase is increased, droplets tend to coalesce in order to quickly minimize the interfacial energy. In the presence of surfactants accumulating between the two phases, the interaction forces within each phase are disturbed, and the interfacial tension is reduced. The oil droplets dispersed in an aqueous phase are less likely to regroup, thus reducing phase separation. The addition of surfactants to a solution can thus enable the dispersion of one phase into another liquid phase (emulsion), or even the stabilization of solid particles in suspension. Surfactants are classified into four main families, depending on whether or not they carry a charge on their hydrophilic part, and based on the nature of this charge: anionic, cationic, nonionic, or zwitterionic surfactants. Each of these families finds numerous applications in our daily lives. It is worth noting that, alongside the classic surfactants described above, some complex molecules, such as proteins, are also used in industry for their surfactant properties. Surfactants are mainly used for their solubilizing, phase-stabilizing, emulsifying, or foaming properties. Below a certain concentration, called the critical micelle concentration (CMC), surfactants are mainly in monomolecular form. Beyond the CMC, they form micelles. In aqueous solution, these self-assembled structures correspond to molecular organizations in which the hydrophobic parts gather at the center to limit their contact with the polar solvent, while the hydrophilic parts are exposed to the outside of the structure and interact with water. Thus, surfactant micelles find applications in detergent solutions for the removal of fats and oils by trapping these nonpolar compounds in their core and preventing their coalescence. It is important to note that in a nonpolar solvent, surfactants form inverted micelles, with their hydrophilic head oriented toward the inside of the structure. The CMC value depends on both the structure of the surfactant (length, degree of saturation and branching of chains, charge and size of the polar head) and the properties (notably ionic strength for charged surfactants, temperature for nonionic surfactants) and composition of the medium. The CMC value in the final formulation will define the effective surfactant concentration in the detergent solution. As mentioned earlier, in addition to their use in household products designed to remove nonpolar substances like fats and oils, surfactants are also useful for forming emulsions and foams. The formulation of various food, cosmetic, or pharmaceutical products often requires the mixing of initially immiscible phases, each of which allows for the solubilization of different and complementary active ingredients or foods. Below the CMC, the emulsion formed may be unstable. Beyond the CMC, the emulsions produced are more stable and allow for the production of creams for cosmetic use or sauces for food. The ability of certain surfactants to stabilize foams, systems in which a gas is dispersed in a liquid, combined with their detergent properties, will find applications in personal hygiene products (shampoos, soaps, etc.) or in the food industry. Finally, micelles provide a space for encapsulation where molecules of cosmetic or pharmaceutical interest can be dispersed, increasing their solubility and stability. The widespread presence of surfactants in hygiene products (detergents, fabric softeners, soaps, shampoos), food, and cosmetics underscores their importance and versatility. However, this broad exposure of humans to a variety of synthetic surfactants, which can cause skin irritation or allergic reactions, raises some concerns, particularly regarding health.

français. Les tensioactifs, comme leur nom l’indique, regroupent des molécules capables de se positionner à l’interface entre deux milieux non miscibles, tels que l’eau et l’air, ou l’eau et l’huile, et d’agir sur les interactions moléculaires entre ces deux milieux. Chimiquement, ces molécules actives possèdent deux parties : une partie hydrophile, soluble dans l’eau, et une partie hydrophobe, souvent constituée de chaînes hydrocarbonées ou fluorocarbonées, qui interagit avec les substances apolaires comme les graisses ou huiles. Ce caractère amphiphile leur permet ainsi de s’accumuler à l’interface entre deux milieux non miscibles. Ce positionnement, associé à leurs caractéristiques physico-chimiques, est à l’origine de leur action sur la tension de surface ou tension interfaciale. L’effet du tensioactif se traduit par une diminution de cette tension, c’est-à-dire de l’énergie nécessaire pour maintenir l’interface, modifiant ainsi les interactions moléculaires entre les deux phases. En l’absence de tensioactif, la tension interfaciale entre deux phases non miscibles est importante en raison des forces cohésives au sein de chaque milieu, et des faibles interactions entre les molécules d’une phase avec celles de l’autre phase. La tension interfaciale élevée résulte en la formation de couches distinctes correspondant chacune à l’une des phases. À titre d’exemple, afin de minimiser la surface de contact huile/eau, une goutte d’huile reste sphérique lorsqu’elle est ajoutée à une solution aqueuse. Lorsque le volume de la phase huileuse est augmenté, les gouttelettes auront tendance à coalescer de façon à minimiser rapidement l’énergie interfaciale. En présence de tensioactifs s’accumulant entre les deux phases, les forces d’interaction au sein de chaque phase sont perturbées, la tension interfaciale est réduite. Les gouttelettes d’huile dispersées dans une phase aqueuse auront moins de propension à se regrouper, réduisant ainsi la séparation des phases. L’addition de tensioactifs dans une solution peut ainsi permettre la dispersion d’une phase dans une autre phase liquide (émulsion), ou même la stabilisation de particules solides en suspension. Selon que les tensioactifs portent ou non une charge sur leur partie hydrophile, et selon la nature de cette charge, ils sont classés en 4 grandes familles : les tensioactifs anioniques, cationiques, non ioniques ou zwittérioniques. Chacune de ces familles trouve de nombreuses applications dans notre vie quotidienne. Notons que face aux tensioactifs classiques décrits ci-dessus, certaines molécules complexes, comme des protéines, sont également utilisées en industrie pour leurs propriétés tensioactives. Les tensioactifs sont essentiellement utilisés pour leurs propriétés de solubilisation, de stabilisation de phases, émulsifiantes ou moussantes. En dessous d’une certaine concentration appelée concentration micellaire critique (CMC), les tensioactifs sont principalement sous forme monomoléculaire. Au-delà de la CMC, ils forment des micelles. En solution aqueuse, ces structures auto-assemblées correspondent à des organisations moléculaires dans lesquelles les parties hydrophobes se rejoignent au centre afin de limiter leur contact avec le solvant polaire. Les parties hydrophiles sont exposées à l’extérieur de la structure et établissent donc des interactions avec l’eau. Ainsi, les micelles de tensioactifs trouvent une application dans les solutions à effet détergent pour l’élimination des graisses et huiles, en emprisonnant ces composés apolaires en leur cœur et en évitant leur coalescence. Il est à noter qu’en solvant apolaire, les tensioactifs forment des micelles inversées, avec leur tête hydrophile orientée vers l’intérieur de la structure. La valeur de la CMC dépend à la fois de la structure du tensioactif (longueur, degré de saturation et de ramification des chaînes, charge et taille de la tête polaire) et des propriétés (notamment la force ionique pour les tensioactifs portant une charge, température pour les tensioactifs non ioniques) et de composition du milieu. La valeur de la CMC dans la formulation finale définira la concentration du tensioactif efficace dans la solution détergente. Comme indiqué plus haut, outre leur utilisation dans les produits ménagers visant à éliminer des substances apolaires comme les graisses et huiles, les tensioactifs sont également utiles pour la formation d’émulsions et de mousses. La formulation de différents produits alimentaires, cosmétiques ou pharmaceutiques requiert fréquemment le mélange de phases initialement non miscibles, mais qui permettent chacune la solubilisation de principes actifs ou aliments différents et complémentaires. En dessous de la CMC, l’émulsion formée peut être instable. Au-delà de la CMC, les émulsions produites sont plus stables et permettront la production de crèmes à usage cosmétique ou de sauces alimentaires par exemple. La capacité de certains tensioactifs à stabiliser des mousses, systèmes dans lesquels un gaz est dispersé dans un liquide, associée à leurs propriétés détergentes, trouvera des applications pour l’hygiène corporelle par exemple (shampoings, savons, etc.), ou dans le domaine alimentaire. Enfin, les micelles offrent un espace d’encapsulation où des molécules d’intérêt cosmétique ou pharmaceutique peuvent être dispersées, augmentant ainsi leur solubilité et leur stabilité. L’omniprésence des tensioactifs dans des produits d’hygiène (détergents, adoucissants, savons, shampoings), alimentaires, et cosmétiques témoigne de leur importance et de leur polyvalence. Cependant, cette large exposition de l’Homme à une variété de tensioactifs d’origine synthétique pouvant provoquer des irritations cutanées ou des réactions allergiques, n’est pas sans poser certaines questions, notamment en matière de santé.