ETH-forskare under ledning av Lucio Isa har utvecklat mikropartiklar med en grov, hallonliknande yta som stabiliserar emulsioner enligt en ny princip.

Forskare ledda av Lucio Isa, Professor i gränssnitt, Soft Matter and Assembly vid ETH Zürichs avdelning för material, har skapat en ny typ av kiseldioxidpartiklar som kan stabilisera emulsioner på ett nytt sätt. En emulsion är en fint dispergerad blandning av två oblandbara vätskor, består av droppar av en vätska dispergerade i den andra.

Ett vardagligt exempel på detta är en salladsdressing gjord av olja och vinäger:dess huvudbeståndsdelar, vinäger (effektivt vatten) och olja, Blanda inte på egen hand och måste vispas kraftigt för att skapa en enhetlig blandning. Om denna blandning får stå, de fint dispergerade vinägerdropparna smälter samman igen och vätskorna kommer att separeras helt.

Olika emulgeringsmedel behövs

Det är därför det är nödvändigt att stabilisera emulsioner; detta kan uppnås med hjälp av många olika emulgeringsmedel, som ytaktiva ämnen, polymerer eller proteiner. Redan i början av 1900-talet de brittiska kemisterna W. Ramsden och S. U. Pickering visade också att emulsioner kunde stabiliseras med mycket fina fasta partiklar, såsom sfäriska kiseldioxidpartiklar (SiO2).

I denna process, partiklarna går spontant in och binder till gränsytan mellan de två vätskorna. De bildar en sorts rustning runt dropparna och förhindrar deras sammansmältning, stabiliserar således emulsionen praktiskt taget obegränsat. Dock, tills nu, detta krävde två typer av partiklar:de med hydrofila ytor, det vill säga sitter mest i vattnet, som endast stabiliserar olja-i-vatten-emulsioner och de med hydrofoba ytor, d.v.s. sitter mest i oljan, som endast stabiliserar vatten-i-olja-blandningar.

Ett emulgeringsmedel stabiliserar båda emulsionerna

Nu, detta kanske inte längre är nödvändigt:ETH-forskarna ledda av Isa har gjort ytorna på dessa små kiseldioxidsfärer uppruggade, som mäter en till sex mikrometer i diameter, genom att ladda dem med silikananopartiklar med mycket mindre diameter. Som ett resultat, dessa små bollar antar formen av hallon. Michele Zanini, en doktorand i Isas grupp, kunde ändra ytjämnheten på ett kontrollerat sätt och skapa en hel samling av sådana partiklar.

I en studie som nyligen publicerades i Naturkommunikation , forskarna har visat att de kan stabilisera båda typerna av emulsion med bara en typ av dessa hallonformade partiklar. Detta beror enbart på vätskan i vilken partiklarna införs innan emulsionen bildas. Om forskarna lägger till partiklarna i oljefasen, en vatten-i-olja-emulsion bildas. Omvänt, de kan stabilisera en olja-i-vatten-emulsion (oljedroppar fint dispergerade i vatten), om de löser upp sina nya partiklar i vatten först. "Dessa partiklar kan därför användas som ett universellt verktyg för att skapa emulsioner, säger Isa.

Grova partiklar fastnar tidigare

Detta beror på att den grova ytan minskar partiklarnas rörlighet genom droppens yta, han förklarar. "Även om de trycker framåt på ytan mellan vätskorna, de kan inte röra sig så långt över den som jämförbara kiseldioxidpartiklar med en slät yta gör – de grova partiklarna fastnar innan de når den energimässigt mest gynnsamma positionen vid gränsytan, säger ETH-professorn.

Med sina hallonformade partiklar, Isa och hans kollegor har lagt grunden för vidare forskning inom detta område, och de har ansökt om patent på sin nya process för partikelproduktion som emulsionsstabilisatorer.

Nya applikationer i sikte

Det finns många möjliga tillämpningar för dessa partiklar, nämligen närhelst det finns behov av att stabilisera emulsioner; t.ex. inom den kemiska industrin. Även om denna forskning var inriktad på laboratoriemodellsystem, samma principer kan utvidgas till användningen av naturligt förekommande grova partiklar som emulsionsstabilisatorer, för att hitta andra potentiella användningsområden i maten, kosmetika- och läkemedelsindustrin, även om ytterligare forskning behövs i denna riktning.