Una micella (dal latino micella "particella", diminutivo di mica "briciola") si configura come un aggregato colloidale costituito da tensioattivi in soluzione, i quali raggiungono un equilibrio dinamico con le molecole o ioni che concorrono a formare la micella stessa. La formazione delle micelle avviene quando, in condizioni di temperatura uguale o superiore alla temperatura di Krafft, la concentrazione del tensioattivo raggiunge un livello critico, denominato concentrazione micellare critica (CMC).

La struttura tipica di una micella può avere diverse forme: sferiche, cilindriche, lamellari e discoidali. Nei solventi polari, in genere, la parte idrofobica e lipofila si orienta all'interno di una sfera, mentre la parte idrofila si orienta all'esterno. In solventi apolari l'orientamento è inverso (si parla di micella inversa). La micella inversa è un utilissimo aggregato per far avvenire reazioni chimiche in mezzi non convenzionali, perché al posto del core micellare idrofobico si ha in questo modo una micro goccia di acqua (di dimensioni variabili) confinata nella micella inversa. Dal punto di vista applicativo rappresenta un utilissimo metodo di compartimentalizzazione.

Prima che il sistema raggiunga la CMC il tensioattivo si dispone all'interfase acqua-aria con le catene idrofobiche verso l'aria e le teste polari verso la fase acquosa. Quando la concentrazione di tensioattivo supera la CMC si verifica l'effetto emulsionante. Ad esempio le micelle formate dai detersivi o dai saponi in soluzione acquosa inglobano al loro interno lo sporco (grasso) favorendone la rimozione.

Modelli teorici della micellizzazione

Il primo a postulare l'esistenza di ioni colloidali per spiegare la buona conducibilità elettrica di soluzioni di palmitato di sodio fu James William McBain nel 1913. Fu G.S. Hartley nel 1935 a descrivere il primo modello di una micella, concependola come un aggregato pressoché sferico formato da 50 a 200 monomeri disposti con la parte lipofila indirizzata verso la zona centrale e quella idrofila verso l'esterno. Il raggio della micella corrisponde circa alla lunghezza dell'intera catena idrocarburica, mentre negli strati più esterni sono presenti i controioni: lo strato di Stern è formato dalla porzione costituita dai gruppi di testa del tensioattivo che attorniano i controioni, i quali sono fortemente legati; lo strato di Gouy-Chapmann è quello più esterno e contiene i restanti controioni, che in questo caso sono indipendenti dalla micella e possono essere scambiati liberamente in soluzione.

L'aggregato micellare non è elettricamente neutro. Quando si forma la micella, i gruppi di testa tendono a respingersi, facendo in modo che si abbia una sorta di distorsione nei pressi del gruppo di testa. Se immaginiamo i gruppi di testa completamente neutri, questi si trovano in una condizione che sfavorisce la formazione della micella, in quanto non si ha una parte carica che possa interagire con l'acqua, e quindi ne risulta che il tensioattivo, con la sua catena idrofobica, floccula.

Successivamente, nel 1979, F.M. Menger osservò come fosse praticamente impossibile disporre 60 molecole secondo una simmetria radiale senza che si avessero formazioni di cavità centrali. In questo modo introdusse il concetto di "tasca acquosa", secondo il quale le cavità sono colme di acqua a causa di alcune catene di monomeri che si protendono verso l'esterno. Il modello di micella risulta quindi significativamente più irregolare, con un "cuore micellare" di volume minore rispetto a quello prospettato da Hartley. Altro modello degno di nota è quello proposto da P. Fromherz nel 1980, che considera le micelle come aggregati di blocchi di tensioattivo costituiti da sottounità di doppietti e tripletti che hanno fra loro catene parallele e disposte ortogonalmente.

Implicazioni termodinamiche ed equilibri chimici

Tra i modelli più semplici e adoperati nello studio della termodinamica di micellizzazione spiccano il "modello di separazione di fase" e il "modello di azione di massa". Il "modello di separazione di fase" considera la micella come una fase, separata dalla soluzione, che si origina in seguito a un processo altamente cooperativo che ha luogo una volta raggiunta la CMC.

Il "modello di azione di massa" si basa sull'esistenza di un equilibrio multiplo in soluzione tra monomeri e micelle. Gli equilibri sono espressi attraverso equazioni del tipo:

\[ K_n = \frac{[A_n]}{[A_1]^n} \]

per reazioni del tipo

\[ n A_1 \rightleftharpoons A_n \quad (n=2,3,\ldots) \]

e

\[ K'_n = \frac{[A_n]}{[A_1][A_{n-1}]} \]

per processi consecutivi

\[ A_1 + A_{n-1} \rightleftharpoons A_n \quad (n=2,3,\ldots) \].

Applicazioni tecnologiche e biologiche

Oltre che nei detersivi le micelle si mostrano anche nelle mesofasi liotropiche dei cristalli liquidi e intervengono nel meccanismo di numerosi processi biologici. Prodotti commerciali basati su acqua micellare sono utilizzati in alcuni marchi dermatologici come detergenti per occhi e viso. La formazione di micelle viene sfruttata in cinetica chimica per lo studio delle reazioni chimiche. Altre comuni applicazioni riguardano la solubilizzazione di prodotti per l'agricoltura e delle sostanze coloranti, l'uso in preparati farmaceutici, in processi fotografici, nelle elettrosintesi organiche e come inibitori della corrosione. Altro importante uso riguarda il recupero terziario del petrolio.

Limiti pratici nella formazione delle micelle

La porzione di ioni non associati all'aggregato micellare (cioè quelli dello strato di Stern) dipende dall'ingombro sterico dei gruppi di testa. Questo spiega perché ad esempio la capacità detergente di un tensioattivo dipende dalla concentrazione di ioni in soluzione (in particolare dello ione carbonato, per i tensioattivi cationici).

Contesto didattico nell’apprendimento universitario

Lo studio delle proprietà chimico-fisiche dei sistemi colloidali, delle soluzioni di polimeri e delle tecniche spettroscopiche e strutturali è oggetto di insegnamenti universitari (come indicato nel piano didattico dell’a.a. 2025-26). Gli studenti acquisiscono competenze riguardo alle proprietà chimico-fisiche delle soluzioni disperse, ai principali processi termodinamici e alle metodologie sperimentali, inclusa la spettroscopia NMR, per la caratterizzazione dei sistemi dispersi e la risoluzione di problemi meccanicistici.

Cosa sono le micelle?

Le micelle sono aggregati di molecole surfattanti che si formano in soluzione quando la concentrazione supera la concentrazione micellare critica.

Qual è la funzione delle micelle?

Le micelle funzionano per solubilizzare sostanze idrofobe in ambienti acquosi, rendendo possibile la loro dispersione.

Come si formano le micelle?

Le micelle si formano quando le molecole di un surfattante si allineano in modo tale che le code idrofobe si uniscano, mentre le teste idrofile si orientano verso l'acqua.

Quali sono esempi di sostanze che formano micelle?

Esempi di sostanze che formano micelle includono i detergenti e i tensioattivi presenti nei saponi.

In che modo le micelle sono utilizzate nella chimica e nella biologia?

Le micelle sono utilizzate in vari processi, come la pulizia di superfici, la formulazione di farmaci e nella digestione dei grassi nel corpo.

micelle: aggregazioni di molecole tensioattive che si formano in soluzioni, costituite da una parte idrofila e una parte idrofoba.
tensioattivi: molecole anfipatiche che possono ridurre la tensione superficiale di un liquido, composte da una testa polare e una coda apolare.
idrofilica: parte di una molecola che ha affinità per l'acqua e tende a interagire favorevolmente con essa.
idrofobica: parte di una molecola che non ha affinità per l'acqua e tende a evitare il contatto con essa.
concentrazione micellare critica (CMC): soglia di concentrazione oltre la quale i tensioattivi iniziano ad aggregarsi per formare micelle.
stabilità: capacità di una micella di mantenere la sua struttura senza disgregarsi, influenzata da vari fattori.
entropia: misura del disordine o della dispersione di energia in un sistema, importante nella determinazione della formazione delle micelle.
entalpia: misura dell'energia totale di un sistema, che influisce sulle interazioni chimiche durante la formazione delle micelle.
solubilità: capacità di una sostanza di sciogliersi in un solvente, cruciale per l'efficacia dei farmaci incapsulati nelle micelle.
vettore: un sistema o una struttura che trasporta altre molecole, come le micelle che trasportano farmaci.
detergente: sostanza chimica che aiuta a rimuovere sporco e impurità, spesso basata su tensioattivi che formano micelle.
sistema di somministrazione controllata: metodo di rilascio preciso di farmaci nel corpo, che può utilizzare micelle per aumentare l'efficacia.
formulazione: processo di combinazione di diversi ingredienti per creare un prodotto finito, come detergenti o prodotti cosmetici.
proprietà chimiche: caratteristiche intrinseche di una sostanza che influenzano le sue reazioni e interazioni.
sistemi micellari: strutture formate da micelle che possono essere progettate per applicazioni specifiche in diversi settori.
ricerca chimica: attività sistematica di studio e investigazione nel campo della chimica, con focus su fenomeni come le micelle.

Titolo per elaborato: Le micelle e la loro formazione. Le micelle sono aggregati di molecole anfipatiche che si formano in soluzione acquosa quando la concentrazione di surfattante supera il valore critico di micellizzazione. Questo fenomeno è fondamentale in tantissimi processi chimici e industriali, dalla detergenza alla formulazione di farmaci.

Titolo per elaborato: Il ruolo delle micelle nei sistemi biologici. Le micelle sono cruciali in ambito biologico, ad esempio nel trasporto dei lipidi nelle membrane cellulari. Comprendere la loro struttura e funzione può fornire informazioni preziose sulla biochimica cellulare e sulle interazioni tra molecole all'interno degli organismi viventi.

Titolo per elaborato: Applicazioni tecnologiche delle micelle. Le micelle trovano applicazione nell'industria cosmetica e farmaceutica per la loro capacità di solubilizzare sostanze idrofobiche. Studiare come sfruttare questa proprietà in modo innovativo può aprire la strada a nuove formulazioni e prodotti più efficaci e meno invasivi per l'ambiente.

Titolo per elaborato: Micelle e nanoscienze. Il mondo delle micelle è strettamente legato alle nanoscienze, dove possono essere utilizzate come nanoparticelle per la somministrazione controllata di farmaci. Analizzare le proprietà fisiche e chimiche delle micelle in questo contesto può condurre a sviluppi rivoluzionari in terapia farmacologica.

Titolo per elaborato: Interazione tra micelle e altre sostanze. Le micelle interagiscono con vari tipi di molecole, influenzando la loro solubilità e attività. Esplorare queste interazioni può fornire insight su come ottimizzare l'efficacia dei farmaci, migliorare i processi estrattivi e favorire lo sviluppo di nuove tecnologie chimiche.

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