Kan olie og vand blandes?

Fælles erfaring fortæller os, at olie og vand ikke blandes. Alligevel viser det sig, at de kan blandes, når olie spredes som små dråber i vand. Denne mærkelige adfærd har længe irriteret videnskabsmænd, fordi der ikke er nogen forklaring på det. Et hold af EPFL- og ICTP-forskere har studeret dette spørgsmål ved hjælp af ny optisk teknologi og opdaget mekanismen, hvorved disse to neutrale og ublandbare forbindelser faktisk kan blandes sammen og danne emulsioner. Svaret ligger i den elektriske ladningsfordeling ved grænsefladen.

I mere end hundrede år har kemikere undret sig over dette spørgsmål:Hvordan kan små oliedråber eksistere i vand uden stabiliserende molekyler? "Når alt kommer til alt, har vandmolekyler så stærke og favoriserede interaktioner med hinanden, at de ikke kan lide at inkorporere molekyler, der ikke deltager i disse interaktioner," siger professor Sylvie Roke, den ledende efterforsker af undersøgelsen.

Faktisk adskiller olie og vand sig fra hinanden, når de blot blandes. Men med tilstrækkelig tilførsel af energi i form af ultralyd dannes dråber af olie med størrelser mindre end 1 mikron i rent vand og fortsætter med at eksistere i flere uger eller måneder. Mærkeligt nok, når de placeres i et elektrisk felt, bevæger dråberne sig mod den positive elektrode. Blanding af neutral olie og neutralt vand resulterer således i negativt ladede oliedråber. Det er ikke overraskende, at kilden til denne uventede sigtelse er blevet meget diskuteret.

Holdet af videnskabsmænd fra Laboratory of Fundamental BioPhotonics (LBP) på ingeniørskolen ved EPFL ledet af prof. Roke, i samarbejde med Dr. Ali Hassanali fra International Center of Theoretical Physics (ICTP), fandt Trieste kilden til den negative ladning ved at studere både ladningen såvel som den molekylære struktur af dråbernes grænsefladeolie og vand. Deres resultater er blevet offentliggjort i Science .

Ukorrekte hydrogenbindinger

Det viser sig, at svaret på dette mangeårige puslespil ligger i grænsefladen mellem oliedråber og vand. Vandmolekyler foretrækker at donere og acceptere elektriske ladninger fra deres naboer via en interaktion kendt som hydrogenbinding. Men når de er tæt på oliemolekylerne ved dråbeoverfladen, kan de ikke længere finde nok vandnaboer til at hydrogenbinde sig med. I stedet donerer disse vandmolekyler deres ubalancerede elektriske ladninger til oliemolekylerne ved dråbeoverfladen. Denne undersøgelse afslører, at vand-olie-interaktionen sker via en såkaldt forkert brintbinding. Dette er en svag brintbinding mellem olie og vand, og selvom den er svag - vil mange af disse stabilisere dråben.

For at optrevle denne mekanisme brugte Rokes team en ultrahurtig optisk teknik. "To ultrakorte laserimpulser blev overlappet på en blanding af oliedråber og vand. Når vi gør dette, genereres og spredes nye fotoner fra dråbegrænsefladen. Disse fotoner har sumfrekvensen af ​​de to indkommende laserstråler og rapporterer om vibrationsbindingerne ved grænsefladen, det vil sige atomernes bevægelse i grænseflademolekyler. Dette fortæller os om strukturen og vekselvirkningerne mellem olie og vand," forklarer Roke. På molekylær skala har grænsefladen mellem oliedråber og vand stærke ligheder med grænseflader involveret i proteinfoldning eller biologisk membrandannelse. Derfor tilfredsstiller disse resultater om strukturen af ​​oliedråber/vand-grænsefladen ikke kun vores nysgerrighed om vandets indviklede kompleksitet, men har også implikationer for forståelsen af ​​interaktioner gennem biologi og kemi.