Vad har diskmedel och nonstick-pannor gemensamt? Förutom att den ena används för att rengöra den andra efter tillagning, båda hushållsartiklarna får sin användbarhet genom att påverka vätskors fysikaliska egenskaper och ytorna som vätskorna kommer i kontakt med.

Diskmedel avlägsnar olja från ytor eftersom dess kemiska sammansättning består av en vattenavvisande (hydrofob) grupp som företrädesvis binder till olja, och en "vattenälskande" (hydrofil) grupp som binder företrädesvis till vatten. Detta minskar effektivt oljans ytspänning, så att den lätt kan sköljas av.

Å andra sidan, non-stick pannor är vanligtvis belagda med ett material som kallas polytetrafluoreten – mer känt som teflon – vilket är extremt hydrofobt. Praktiskt taget allt glider av teflonbelagda ytor eftersom vidhäftningskrafterna mellan teflon och många andra material eller molekyler är nästan försumbara.

Ytaktiva ämnen som diskmedel och material som teflon har andra användningsområden utöver vardagliga hushållssysslor. Faktiskt, de är involverade i en hel rad industriella processer, inklusive utvinning av råolja och förebyggande av nedsmutsning i biomedicinsk utrustning. För att möta så olika industriella behov, A*STAR-forskare undersöker ständigt nya material och tekniker för att modifiera hur vätskor interagerar med varandra och med ytor.

Ledtrådar från naturen

Medan mänsklig uppfinningsrikedom har varit källan till många syntetiska metoder för att kontrollera hur olja och vatten interagerar, naturen är ofta en större uppfinnare, som Nanji Hadia, en forskare vid A*STARs Institute of Chemical and Engineering Sciences (ICES), upptäckt.

Arbetar med problemet med råoljeutvinning, Hadia letade efter mer miljövänliga sätt att återvinna restolja i reservoarer. "I de flesta oljereservoarer, en stor mängd olja förblir omöjlig att återvinna eftersom den har fastnat i mikronskalig porhals av reservoarbergarter, " sa Hadia. "Kapillärkrafter är en nyckelfaktor som håller tillbaka oljan i dessa små porhalsar."

För att maximera mängden råolja som kan utvinnas från varje oljekälla, oljeindustrin har utvecklat ett tillvägagångssätt som kallas utökad oljeutvinning. "En typ av förbättrad oljeåtervinning innebär användning av ytaktiva ämnen för att övervinna kapillärkrafterna som håller oljan på plats och tillåta olja och vatten att blandas till emulsioner som sedan kan flöda lättare genom porerna, sa Hadia.

Dock, många existerande syntetiska ytaktiva ämnen inkluderar sulfater och sulfonater som inte alltid är biologiskt nedbrytbara och utgör miljöproblem. "På grund av allt strängare miljörestriktioner, det är en prioritet för petroleumprospekterings- och produktionsindustrin att gå mot gröna ytaktiva ämnen, " noterade Hadia.

Hadia bestämde sig därför för att ta ett blad ur naturens innovationshandbok, samarbetar med sin kollega Christoph Ottenheim för att producera naturliga tensidliknande molekyler från bakterier, även kallade biotensider. Två typer av biotensider har studerats brett i samband med förbättrad oljeutvinning:glykolipider, vilka är fettmolekyler med en sockerkedja fäst vid dem; och lipopeptider, fettmolekyler med en kort kedja av aminosyror (de grundläggande byggstenarna för proteiner) fästa vid dem.

Tar bort spänningen

I deras studie, Hadia och Ottenheim fokuserade på en lipopeptid som heter surfaktin, produceras av bakteriefamiljen Bacillus. "Surfactiner är kända för sin förmåga att drastiskt minska gränsytspänningen mellan olja och vatten, ", sa Hadia. Men att producera surfaktiner i tillräckligt stora mängder utan att ådra sig astronomiska kostnader är fortfarande ett svårt problem att lösa och är en viktig faktor för oljeproduktionsindustrin.

För närvarande, surfaktin erhålls genom fermentering, varvid Bacillus förses med en specifik blandning av näringsämnen och hålls under exakt pH, temperatur och luftningsförhållanden som gynnar syntesen av surfaktin. "I vårat fall, vi använde Bacillus subtilis 22.2-stammar och lät dem jäsa en näringsbuljong över natten vid 30°C, " förklarade Ottenheim. Fermenteringsprodukten innehöll en blandning av surfaktiner, med ett utbyte under 1 g/L buljong.

Utvärdera effekten av deras surfaktinblandning på råoljor i två lagertankar, forskarna fann att en låg surfaktinkoncentration på 0,025 % kunde minska gränsytspänningen hos båda oljorna med hundra till tusen gånger, därigenom underlättar bildningen av olja-i-vatten-emulsioner. Detta gör i sin tur att olja kan rinna lätt från porerna.

För att bättre efterlikna de verkliga förhållanden under vilka surfaktinblandningen skulle behöva fungera, Hadias team genomförde också kärnöversvämningsexperiment genom att fånga olja i Bereas sandsten, ett naturligt poröst sandstensmaterial, sedan försöker återvinna oljan. "Vi kunde återvinna 1,5-5% mer olja genom att injicera 0,1% surfaktinlösning i stenproverna [jämfört med när surfaktin inte användes], sa Hadia.

En del av denna förbättring kan också tillskrivas det faktum att surfaktin förändrade bergprovernas vätbarhet för att göra dem mer vattenvåta (på samma sätt som diskmedel fungerar), så att oljan kan spolas ur med vatten. Tagen tillsammans, surfaktiner representerar en genomförbar och miljövänligare lösning för ökad oljeutvinning i petroleumindustrin, Hadia noterade.

En kontaktsport

Möjligheten att justera ytvätbarhet är lika användbar utanför området för oljeutvinning. Till exempel, inom mikrofluidik, som innebär att vätskor passerar genom mycket små kanaler, vätbarheten hos dessa kanaler påverkar avsevärt hur vätskor strömmar in i dem, eller om biologiska celler kan fästa vid kanalernas ytor för organ-på-chip ändamål.

Istället för att applicera en beläggning (som teflon eller surfaktin), en annan strategi för att ändra ytvätbarhet är genom användning av laser. Forskare ledda av Zhongke Wang, en forskare vid A*STARs Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech), har använt laserbestrålning för att exakt kontrollera vätbarheten hos polykarbonat, en typ av plast som är transparent och biokompatibel.

"Än så länge, de flesta av de befintliga teknikerna kan bara öka eller minska vätbarheten hos polykarbonat, men inte justera vätbarheten åt båda hållen, "Wang sa, tillägger att nuvarande metoder också saknar flexibiliteten för att skapa godtyckliga kontaktvinklar mellan polykarbonatytor och vätskor. En kontaktvinkel på mer än 90° betyder att en yta är hydrofob, medan en kontaktvinkel på mindre än 90° indikerar att en yta är hydrofil. Med andra ord, en hydrofil yta har en högre vätbarhet än en hydrofob.

Med hjälp av en femtosekundlaser, så kallad eftersom den avger ultrakorta pulser av fokuserat ljus, Wangs team kunde göra polykarbonat-ytor hydrofoba eller hydrofila i varierande utsträckning, beroende på parametrar som laserintensitet, antalet applicerade laserpulser och laserns skanningshastighet.

Till exempel, en hög skanningshastighet på 0,5 mm/s med ett pulstal på 60 resulterade i en kontaktvinkel på mer än 150° mellan polykarbonat och en 0,5 mm vattendroppe, vilket gör att polykarbonatet blev superhydrofobt. Å andra sidan, en lägre skanningshastighet på 29 mm/s med färre pulser resulterade i en kontaktvinkel på mindre än 5°, indikerar en superhydrofil yta.

"Förändringarna i kemiska bindningar på polykarbonatytan som ett resultat av olika laserbestrålningsförhållanden bestämmer vätbarheten hos den laserskannade ytan. Polära grupper inducerade av laserbestrålning resulterade i en hydrofil yta, medan icke-polära grupper inducerade av laserbestrålning resulterade i en hydrofob yta, " förklarade Wang.

Söker synergier

Efter att ha visat att polykarbonatytan är kemiskt och fysiskt förändrad av femtosekundlasern, forskarna ville testa stabiliteten hos ytegenskaperna i samband med mikrofluidik. Inom mikrofluidik, ultraljudsbehandling - applicering av högfrekventa ljudvågor - används vanligtvis för att skölja ur de små kanalerna i närvaro av vatten eller kemikalier.

Wangs team fann att grovheten hos hydrofoba ytor ökade genom ultraljudsbehandling med vatten och etanol. I kontrast, ojämnheten hos hydrofila ytor minskade. Forskarna noterade också att hydrofobiciteten och hydrofiliciteten hos de laserbehandlade polykarbonatytorna minskade vid ultraljudbehandling med vatten och etanol.

"Vi tror att det finns två möjligheter för förändringen av ytvätbarhet efter behandling:ultraljudsbehandling kan ha avlägsnat skräp från de laserbehandlade ytorna, eller ultraljudsbehandling kan ha resulterat i ytterligare förändringar av de kemiska bindningarna på polykarbonatytan, Wang förklarade. Han tillade att framtida experiment med röntgenfotoelektronspektroskopi kommer att behövas för att klargöra om förändringar av de kemiska bindningarna verkligen har inträffat efter ultraljudsbehandling.

Fynden från Wangs arbete kan ha implikationer för Hadias forskning eftersom mikrofluidik är användbar för flödesvisualisering i mycket liten skala. "När det gäller studier av förbättrad oljeutvinning, mikrofluidik hjälper forskare att förstå förskjutningen av en vätska av en annan i ett mikrofluidiskt glaschip som innehåller ett pornätverk som representerar ett poröst stenprov, " sa Hadia. Därför, medan Wang och Hadia kanske studerar olika problem, deras forskningsområden överlappar varandra subtilt och genererar synergier.

Båda forskarna erbjuder också olika tillvägagångssätt för ytmodifiering, vare sig det är genom kemiska medel (beläggning med surfaktin) eller fysikaliska metoder (lasrar). Deras upptäckter banar väg för ökad effektivitet och minskad miljöpåverkan från industriella processer, exemplifierar hur forskning och utveckling kan ta fram smarta lösningar på några av samhällets mest utmanande problem.