Manipulerer overfladespænding i væsker, der passer til forskellige industrielle behov

Hvad har opvaskemiddel og nonstick -pander tilfælles? Udover at den ene bruges til at rense den anden efter madlavning, begge husholdningsartikler får deres nytteværdi ved at påvirke væskernes fysiske egenskaber og de overflader, disse væsker kommer i kontakt med.

Opvaskemiddel fjerner olie fra overflader, fordi dets kemiske sammensætning består af en vandafvisende (hydrofob) gruppe, der fortrinsvis binder sig til olie, og en 'vandelskende' (hydrofil) gruppe, der fortrinsvis binder sig til vand. Dette reducerer effektivt overfladespændingen af ​​olie, gør det let at skylle af.

På den anden side, non-stick pander er typisk belagt med et materiale kendt som polytetrafluorethylen-bedre kendt som teflon-som er ekstremt hydrofobt. Stort set alt glider af teflonbelagte overflader, fordi klæbekræfterne mellem teflon og mange andre materialer eller molekyler er næsten ubetydelige.

Overfladeaktive stoffer som opvaskemiddel og materialer som teflon har andre anvendelsesmuligheder end almindelige huslige gøremål. Faktisk, de er involveret i en lang række industrielle processer, herunder udvinding af råolie og forebyggelse af begroning i biomedicinsk udstyr. For at imødekomme så forskellige industrielle behov, A*STAR -forskere undersøger konstant nye materialer og teknikker til at ændre, hvordan væsker interagerer med hinanden og med overflader.

Ledetråd fra naturen

Mens menneskelig opfindsomhed har været kilden til mange syntetiske metoder til at kontrollere måden olie og vand interagerer på, naturen er ofte en større opfinder, som Nanji Hadia, forsker ved A*STAR's Institute of Chemical and Engineering Sciences (ICES), opdaget.

Arbejder med problemet med råolieudvinding, Hadia ledte efter mere miljøvenlige måder at genvinde restolie i reservoirer. "I de fleste oliereservoirer, en stor mængde olie forbliver uoprettelig, fordi den sidder fast i mikronskala porerne i reservoirsten, "sagde Hadia." Kapillarkræfter er en nøglefaktor, der holder olien tilbage i disse små porehale. "

For at maksimere mængden af ​​råolie, der kan udvindes fra hver oliebrønd, olieindustrien har udviklet en tilgang kendt som forbedret olieindvinding. "En type forbedret olieudvinding indebærer anvendelse af overfladeaktive midler til at overvinde de kapillarkræfter, der holder olien på plads og tillader olie og vand at blande sig i emulsioner, som derefter lettere kan strømme gennem porerne, "Sagde Hadia.

Imidlertid, mange eksisterende syntetiske overfladeaktive stoffer omfatter sulfater og sulfonater, som ikke altid er biologisk nedbrydelige og udgør miljøhensyn. "På grund af stadig strengere miljørestriktioner, det er en prioritet for olieefterforsknings- og produktionsindustrien at bevæge sig mod grønne overfladeaktive stoffer, "Noterede Hadia.

Hadia besluttede derfor at tage et blad ud af naturens innovationshåndbog, samarbejde med sin kollega Christoph Ottenheim om at producere naturlige overfladeaktive stoffelignende molekyler fra bakterier, også kaldet biosurfaktanter. To typer biosurfaktanter er blevet bredt undersøgt i forbindelse med forbedret olieudvinding:glycolipider, som er fedtmolekyler med en sukkerkæde knyttet til dem; og lipopeptider, fedtmolekyler med en kort kæde af aminosyrer (de grundlæggende byggesten i proteiner) knyttet til dem.

At tage spændingen væk

I deres undersøgelse, Hadia og Ottenheim fokuserede på et lipopeptid kaldet surfactin, produceret af Bacillus -familien af ​​bakterier. "Surfactiner er kendt for deres evne til drastisk at reducere grænsefladespændingen mellem olie og vand, "Sagde Hadia. Men at producere surfactiner i tilstrækkeligt store mængder uden at pådrage sig astronomiske omkostninger er fortsat et vanskeligt problem at løse og er en vigtig overvejelse for olieproduktionsindustrien.

I øjeblikket, surfactin opnås ved gæring, hvorved Bacillus forsynes med en bestemt blanding af næringsstoffer og holdes under præcis pH, temperatur og beluftningsbetingelser, der favoriserer surfactinsyntese. "I vores tilfælde, vi brugte Bacillus subtilis 22.2 stammer og lod dem fermentere en næringsbouillon natten over ved 30 ° C, "Forklarede Ottenheim. Fermenteringsproduktet indeholdt en blanding af overfladeaktiner, med et udbytte under 1 g/L bouillon.

Evaluering af virkningen af ​​deres surfactinblanding på to råolier af tankbeholdere, forskerne fandt ud af, at en lav surfactinkoncentration på 0,025% var i stand til at reducere grænsefladespændingen af ​​begge olier med hundrede til tusinde gange, derved lette dannelsen af ​​olie-i-vand-emulsioner. Dette tillader igen olie at strømme let fra pore struber.

For bedre at efterligne de virkelige forhold, hvorunder surfactinblandingen skulle fungere, Hadias team udførte også coreflooding -eksperimenter ved at fange olie i Berea -sandsten, et naturligt porøst sandstenmateriale, derefter forsøger at genvinde olien. "Vi var i stand til at genvinde 1,5-5% mere olie ved at injicere 0,1% surfactinopløsning i stenprøverne [sammenlignet med når surfactin ikke blev brugt], "Sagde Hadia.

En del af denne forbedring kan også tilskrives det faktum, at surfactin ændrede stenprøvernes befugtning for at gøre dem mere vandvåde (på samme måde som opvaskemiddel virker), så olien kan skylles ud med vand. Taget sammen, overfladeaktiner repræsenterer en mulig og miljøvenlig løsning til forbedret olieindvinding i olieindustrien, Noterede Hadia.

En kontaktsport

Evnen til at justere overfladefugtbarhed er lige så nyttig uden for olieindvindingsområdet. For eksempel, i mikrofluidik, som involverer væsker, der passerer gennem meget små kanaler, befugtning af disse kanaler har en betydelig indflydelse på, hvordan væsker strømmer inde i dem, eller om biologiske celler kan klæbe til kanalernes overflader til organ-på-chip formål.

I stedet for at påføre en belægning (f.eks. Teflon eller surfactin), en anden strategi til at ændre overfladefugtbarhed er ved brug af lasere. Forskere ledet af Zhongke Wang, forsker ved A*STAR's Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech), har brugt laserbestråling til præcist at kontrollere fugtbarheden af ​​polycarbonat, en type plast, der er gennemsigtig og biokompatibel.

"Indtil nu, de fleste af de eksisterende teknikker kan kun øge eller formindske fugtbarheden af ​​polycarbonat, men afstem ikke fugtbarheden begge veje, "Sagde Wang, tilføjer, at de nuværende metoder også mangler fleksibilitet til at skabe vilkårlige kontaktvinkler mellem polycarbonatoverflader og væsker. En kontaktvinkel på mere end 90 ° betyder, at en overflade er hydrofob, der henviser til, at en kontaktvinkel på mindre end 90 ° angiver, at en overflade er hydrofil. Med andre ord, en hydrofil overflade har en højere befugtning end en hydrofob.

Ved hjælp af en femtosekundlaser, såkaldt, fordi det udsender ultrakorte pulser af fokuseret lys, Wangs team var i stand til at gøre polycarbonatoverflader hydrofobe eller hydrofile i varierende omfang, afhængigt af parametre såsom laserintensitet, antallet af anvendte laserpulser og laserens scanningshastighed.

For eksempel, en høj scanningshastighed på 0,5 mm/s med et pulsantal på 60 resulterede i en kontaktvinkel på mere end 150 ° mellem polycarbonat og en 0,5 mm vanddråbe, hvilket betyder, at polycarbonatet blev superhydrofobisk. På den anden side, en lavere scannehastighed på 29 mm/s med færre impulser resulterede i en kontaktvinkel på mindre end 5 °, angiver en superhydrofil overflade.

"Ændringerne i kemiske bindinger på polycarbonatoverfladen som følge af forskellige laserbestrålingsbetingelser bestemmer den laserscannede overflades befugtning. Polare grupper forårsaget af laserbestråling resulterede i en hydrofil overflade, mens ikke-polare grupper induceret ved laserbestråling resulterede i en hydrofob overflade, "Forklarede Wang.

Søger synergier

Efter at have vist, at polycarbonatoverfladen kemisk og fysisk ændres af femtosekundlaseren, forskerne ønskede at teste stabiliteten af ​​overfladeegenskaberne i forbindelse med mikrofluidik. I mikrofluidik, ultralydsbehandling - anvendelsen af ​​højfrekvente lydbølger - bruges almindeligvis til at skylle de små kanaler ud i nærvær af vand eller kemikalier.

Wangs team fandt ud af, at ruheden af ​​hydrofobe overflader blev øget ved ultralyd med vand og ethanol. I modsætning, ruheden af ​​hydrofile overflader blev reduceret. Forskerne bemærkede også, at hydrofobiciteten og hydrofiliciteten af ​​de laserbehandlede polycarbonatoverflader faldt ved ultralydsbehandling med vand og ethanol.

"Vi tror, ​​at der er to muligheder for ændringen i overfladefugtbarhed efter behandling:ultralydsbehandling kunne have fjernet snavs fra de laserbehandlede overflader, eller ultralydsbehandling kan have resulteret i yderligere ændringer af de kemiske bindinger på polycarbonatoverfladen, "Forklarede Wang. Han tilføjede, at fremtidige forsøg med røntgenfotoelektronspektroskopi vil være nødvendige for at afklare, om ændringer i de kemiske bindinger faktisk er sket efter ultralydsbehandling.

Resultaterne fra Wangs arbejde kan have konsekvenser for Hadias forskning, da mikrofluidik er nyttig til flowvisualisering i meget lille skala. "I tilfælde af forbedrede olieindvindingsundersøgelser, mikrofluidik hjælper forskere med at forstå forskydningen af ​​en væske til en anden i en mikrofluidisk chip af glas, der indeholder et porennetværk, der repræsenterer en porøs stenprøve, Sagde Hadia. Derfor, mens Wang og Hadia måske studerer forskellige problemer, deres forskningsfelter overlapper subtilt og genererer synergier.

Begge forskere tilbyder også forskellige metoder til overflademodifikation, det være sig ved kemiske midler (belægning med surfactin) eller fysiske metoder (lasere). Deres opdagelser baner vejen for større effektivitet og reduceret miljøpåvirkning af industrielle processer, eksempler på, hvordan forskning og udvikling kan producere fiks løsninger på nogle af samfundets mest udfordrende problemer.