Kondensationsbaseret metode kunne skabe stabile emulsioner i nanoskala

Olie og vands modvilje mod at blande sig og forblive på den måde er så velkendt, at det er blevet en kliché for at beskrive to ting, der ikke passer godt sammen. Nu, en ny opdagelse fra forskere ved MIT kan vende det udtryk på hovedet, giver en måde at få de to stoffer til at blande og forblive stabile i lange perioder - ingen omrystning nødvendig. Processen kan finde anvendelse i lægemidler, kosmetik, og forarbejdede fødevarer, blandt andre områder.

Den nye proces indebærer afkøling af et bad af olie, der indeholder en lille mængde af et overfladeaktivt stof (et sæbelignende stof), og derefter lade vanddamp fra den omgivende luft kondensere på olieoverfladen. Eksperimenter har vist, at dette kan give små, ensartede vanddråber på overfladen, som derefter synker ned i olien, og deres størrelse kan styres ved at justere andelen af ​​overfladeaktivt stof. Fundene, af MIT kandidatstuderende Ingrid Guha, tidligere postdoc Sushant Anand, og lektor Kripa Varanasi, rapporteres i journalen Naturkommunikation .

Som enhver, der nogensinde har brugt salatdressing, ved, uanset hvor kraftigt blandingen bliver rystet, olien og eddiken (en vandbaseret opløsning) adskilles inden for få minutter. Men til mange formål, herunder nye lægemiddelleveringssystemer og fødevareforarbejdningsmetoder, det er vigtigt at være i stand til at få olie i vand (eller vand i olie) til at danne små dråber – kun et par hundrede nanometer på tværs, for små til at se med det blotte øje – og til at få dem til at forblive små i stedet for at smelte sammen til større dråber og til sidst skilles fra den anden væske.

Typisk, i industrielle processer fremstilles disse emulsioner ved enten at ryste blandingen mekanisk eller ved at bruge lydbølger til at opsætte intense vibrationer i væsken, en proces kaldet sonikering. Men begge disse processer "kræver en masse energi, " Varanasi siger, "og jo finere dråber, jo mere energi tager det." Derimod, "Vores tilgang er meget energibillig, " tilføjer han.

"Nøglen til at overvinde den adskillelse er at have virkelig små, nanoskala dråber, " Guha forklarer. "Når dråberne er små, tyngdekraften kan ikke overvinde dem, " og de kan forblive suspenderet på ubestemt tid.

Til den nye proces, holdet oprettede et reservoir af olie med tilsat overfladeaktivt stof, der kan binde sig til både olie- og vandmolekyler. De placerede dette inde i et kammer med meget fugtig luft og afkølede derefter olien. Som et glas koldt vand på en varm sommerdag, den koldere overflade får vanddampen til at udfælde. Det kondenserende vand danner så dråber på overfladen, der spredes gennem olie-overfladeaktivt stofblandingen, og størrelsen af ​​disse dråber er ret ensartede, holdet fandt. "Hvis du får den rigtige kemi, du kan få den helt rigtige spredning, " siger Guha. Ved at justere andelen af ​​overfladeaktivt stof i olien, dråbestørrelserne kan kontrolleres godt.

I forsøgene, holdet producerede emulsioner i nanoskala, der forblev stabile over perioder på flere måneder, sammenlignet med de få minutter, det tager for den samme blanding af olie og vand at adskille uden det tilsatte overfladeaktive stof. "Dråberne forbliver så små, at de er svære at se selv under et mikroskop, " siger Guha.

I modsætning til ryste- eller sonikeringsmetoderne, som tager det store, adskille masser af olie og vand og gradvist få dem til at nedbrydes i mindre dråber - en "top-down" tilgang - kondensationsmetoden starter med det samme med de små dråber, der kondenserer ud fra dampen, som forskerne kalder en bottom-up tilgang. "Ved at dække de friskkondenserede vanddråber i nanoskala med olie, vi udnytter den iboende natur af faseændringer og spredningsfænomener, " siger Varanasi.

"Vores bottom-up tilgang til at skabe emulsioner i nanoskala er meget skalerbar på grund af processens enkelhed, " siger Anand. "Vi har afdækket mange nye fænomener i løbet af dette arbejde. Vi har fundet ud af, hvordan tilstedeværelsen af ​​overfladeaktivt stof kan ændre olie- og vandinteraktionerne under sådanne forhold, fremmer oliespredning på vanddråber og stabiliserer dem på nanoskala."

Holdet siger, at tilgangen skal fungere med en række forskellige olier og overfladeaktive stoffer, og nu hvor processen er blevet identificeret, deres resultater "giver en slags designretningslinje, som nogen kan bruge" til en bestemt type anvendelse, Varanasi siger.

"Det er så vigtig en ting, " han siger, fordi "fødevarer og lægemidler altid har en udløbsdato, " og ofte har det at gøre med ustabiliteten af ​​emulsionerne i dem. Forsøgene brugte et bestemt overfladeaktivt stof, der er meget brugt, men mange andre varianter er tilgængelige, herunder nogle, der er godkendt til fødevaregodkendte produkter.

Ud over, Guha siger, "Vi forestiller os, at du kan bruge flere væsker og lave meget mere komplekse emulsioner." Og udover at blive brugt i mad, kosmetik, og stoffer, metoden kunne have andre anvendelser, som i olie- og gasindustrien, hvor væsker såsom bore-"mudder" sendt ned i brønde også er emulsioner, Varanasi siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.