Designer emulsioner

ETH-materialeforskere er ved at udvikle en metode, hvormed de kan belægge dråber med kontrolleret grænsefladesammensætning og dækning efter behov i en emulsion for at stabilisere dem. Dermed opfylder de en langvarig drøm for forskere og industri.

Mayonnaise er et glimrende eksempel på en emulsion, der består af en vandfase og en oliefase. Olie og eddike blandes for at danne utallige dråber. Æggeblomme tilsættes som en emulgator, der dækker overfladen af ​​dråberne, og derved virker til at stabilisere dem. Udført korrekt, en bøde, cremet blanding dannes. Hvis olien tilsættes for hurtigt (eller på det forkerte tidspunkt), Mayonnaisen stivner:dråberne er ikke stabile nok, de opløses, og faserne adskilles.

Hidtil har materialeforskere haft lige så mange problemer, som amatørkokke har forsøgt at lave den perfekte mayonnaise ved at producere kontrollerede grænseflader mellem dråber i tofasede blandinger med stabilisatorer eller emulgatorer. Disse "forstærkede" grænseflader er vigtige, fordi de stabiliserer dråberne og i sidste ende den respektive emulsion. Indtil nu, Det er ikke lykkedes forskere at regulere hverken omfanget af partikeldækningen eller sammensætningen af ​​partiklerne i grænsefladerne mellem sådanne dråber.

Dæk dråber efter ønske

Men dette "mayonnaise-puslespil" kan være blevet løst:materialeforskere fra ETH Zürich og det belgiske universitet i Leuven (KU Leuven), arbejder under ledelse af professor Jan Vermant fra ETH, har udviklet en ny metode, hvormed de kan målrette dråbegrænsefladerne i emulsioner for at belægge og designe dem med de mest forskelligartede partikler. Denne metode er netop blevet præsenteret i det videnskabelige onlinetidsskrift Naturkommunikation .

"Ved at bruge den klassiske tilgang - at blande to væsker med en emulgator, ryster og ser resultatet - det er umuligt at arrangere definerede mængder af en emulgator i grænsefladen af ​​dråberne, " understreger Vermant. "Der er et element af tilfældighed."

Med den nye metode er det nu muligt på forhånd at beregne og indstille mængden af ​​partikler, der skal til for at opnå den rette dækningsgrad. Forskerne har også fundet vilkårligt mange forskellige muligheder for, hvilke partikler de har tænkt sig at bruge, og hvilken størrelse de kan have. Sfæriske silicapartikler er mest almindeligt anvendt, men til testen brugte de også orme- eller stavformede partikler. Proteiner og polymerer er nu også muligheder for brug som emulgatorer.

"Denne tilgang åbner uanede muligheder, som vi kan bruge til at skabe nye materialer, " siger ETH-professor Vermant.

Alsidigt mikrofluidikarrangement

Deres metode er baseret på en mikrofluidisk platform på størrelse med et objektglas. Forskerne kan producere små dråber ved at bruge denne platform. Mens dråberne dannes, den anden fase starter med partiklerne, som binder sig til dråbegrænsefladerne.

Mængden af ​​partikler styres af forskerne ved hjælp af den strømningshastighed, hvormed partikelfasen bevæger sig gennem de udviklende dråber. Endelig, dette lag er omgivet af den fase, hvori dråberne hviler (vand i tilfælde af oliedråber, eller omvendt).

De færdige dråber flyder derefter gennem en smal og meget lang kanal formet som en radiator. Mens den bevæger sig gennem denne kanal, fasen omkring dråberne, der indeholder partiklerne, opløses gradvist i den omgivende opløsning. Men der er nok tid til, at partiklerne kan dække dråbegrænsefladerne og stabilisere dråberne.

Afhængigt af det påtænkte formål, dråberne kan dækkes med forskellige typer partikler. Forskerne kan også bruge partikler af forskellig størrelse, forskellige kemiske sammensætninger eller endda forskellige polariteter (hydrofob vs hydrofil).

Spil med emulgatorer

De enkelte dråber kan smelte sammen afhængigt af dækningsgraden. Dette resulterer i jordnøddelignende former. Koalescensen ændrer forholdet mellem volumen og overfladeareal, hvilket betyder, at der er mindre plads til rådighed for partiklerne på grænsefladen. Partiklerne, der dækker to dråber, tvinges til at bevæge sig sammen på et mindre område, og dækningen af ​​den dobbelte dråbe stiger i tæthed. De coatede dråber stabiliseres på denne måde – og det samme er emulsionen, hvis egenskaber også stammer fra formen og længden af ​​dråberne.

"Vi kan også bestemme formen på dråberne ved hjælp af vores metode, giver os mulighed for at skabe emulsioner med tidligere ufattelige egenskaber", begejstret Vermant. Det nyopdagede princip er meget robust. "Vi har arbejdet på det her i ti år, og nu er problemet løst."

Metoden beskrevet her er kun egnet til forskning, fordi den kun virker i meget lille skala. Imidlertid, ETH-forskerne arbejder på at skalere det op til at behandle større mængder. De er ved at udvikle et apparat, der allerede ville være velegnet til industrielle testmetoder baseret på salg og gennemstrømning.

I endnu større skala, anvendelser i fødevarer, farmaceutiske, kosmetik og endda olieindustrien, for eksempel adskillelse af olie og vand under olieudvinding, ville være muligt.