ETH -materialforskare utvecklar en metod med vilken de kan belägga droppar med kontrollerad gränssnittssammansättning och täckning på begäran i en emulsion för att stabilisera dem. Därigenom uppfyller de en länge dröm om forskare och industri.

Majonnäs är ett utmärkt exempel på en emulsion som består av en vattenfas och en oljefas. Olja och ättika blandas för att bilda otaliga droppar. Äggula tillsätts som ett emulgeringsmedel som täcker dropparnas yta, och därigenom verkar för att stabilisera dem. Gjort korrekt, en böter, krämig blandning bildas. Om oljan tillsätts för snabbt (eller vid fel tidpunkt), majonnäs stelnar:dropparna är inte tillräckligt stabila, de löser sig, och faserna separeras.

Hittills har materialforskare haft lika mycket problem som amatörkockar har försökt att göra den perfekta majonnäs för att producera kontrollerade gränssnitt av droppar i tvåfasblandningar med stabilisatorer eller emulgeringsmedel. Dessa "förstärkta" gränssnitt är viktiga eftersom de stabiliserar dropparna och slutligen respektive emulsion. Tills nu, forskare har inte lyckats reglera varken omfattningen av partikeltäckningen eller partiklarnas sammansättning i sådana droppars gränssnitt.

Täck droppar som önskat

Men detta "majonnäspussel" kan ha lösts:materialforskare från ETH Zürich och belgiska universitetet i Leuven (KU Leuven), arbetar under ledning av professor Jan Vermant från ETH, har utvecklat en ny metod med vilken de kan rikta in droppgränssnittet i emulsioner för att belägga och designa dem med de mest olika partiklarna. Denna metod har just presenterats i den vetenskapliga tidskriften online Naturkommunikation .

"Med det klassiska tillvägagångssättet - blanda två vätskor med ett emulgeringsmedel, skaka och se resultatet - det är omöjligt att ordna definierade mängder av ett emulgeringsmedel i dropparnas gränssnitt, "understryker Vermant." Det finns ett element av slump. "

Med den nya metoden är det nu möjligt att beräkna i förväg och ställa in mängden partiklar som krävs för att uppnå rätt täckningsgrad. Forskarna har också funnit godtyckligt många olika alternativ för vilka partiklar de tänker använda och vilken storlek de kan ha. Sfäriska kiseldioxidpartiklar används oftast, men för testet använde de också mask- eller stavformade partiklar. Proteiner och polymerer är nu också alternativ för användning som emulgeringsmedel.

"Detta tillvägagångssätt öppnar upp för ofattade möjligheter som vi kan använda för att skapa nya material, "säger ETH -professorn Vermant.

Mångsidigt mikrofluidikarrangemang

Deras metod är baserad på en mikrofluid plattform som är stor som ett objektglas. Forskarna kan producera små droppar med hjälp av denna plattform. Medan dropparna bildas, den andra fasen börjar med partiklarna som fäster sig vid droppgränssnitten.

Mängden partiklar styrs av forskarna med hjälp av flödeshastigheten med vilken partikelfasen rör sig genom de utvecklande dropparna. Till sist, detta lager omges av den fas där dropparna stannar (vatten vid oljedroppar, eller tvärtom).

De färdiga dropparna flyter sedan genom en smal och mycket lång kanal formad som en radiator. När den färdas genom denna kanal, fasen som omger dropparna som innehåller partiklarna löser sig gradvis i den omgivande lösningen. Men det finns tillräckligt med tid för partiklarna att täcka droppgränssnitten och stabilisera dropparna.

Beroende på det avsedda syftet, dropparna kan täckas med olika typer av partiklar. Forskarna kan också använda partiklar av olika storlekar, olika kemiska kompositioner eller till och med olika polariteter (hydrofoba vs hydrofila).

Lek med emulatorer

De enskilda dropparna kan sammanfalla beroende på täckningsgraden. Detta resulterar i jordnötsliknande former. Koalescensen ändrar förhållandet mellan volym och yta, vilket innebär att det finns mindre utrymme tillgängligt för partiklarna på gränssnittet. Partiklarna som täcker två droppar tvingas röra sig tillsammans på ett mindre område, och täckningen av den dubbla droppen ökar i densitet. De belagda dropparna stabiliseras på detta sätt - och det är också emulsionen, vars egenskaper också härrör från dropparnas form och längd.

"Vi kan också bestämma formen på dropparna med vår metod, tillåter oss att skapa emulsioner med tidigare ofattbara egenskaper ", entusiasmerar Vermant. Den nyupptäckta principen är mycket robust. "Vi har arbetat med det här i tio år, och nu är problemet löst. "

Metoden som beskrivs här är endast lämplig för forskning eftersom den bara fungerar i mycket liten skala. Dock, ETH -forskarna arbetar med att skala upp det för att bearbeta större mängder. De utvecklar en apparat som redan skulle vara lämplig för industriella testmetoder baserade på försäljning och genomströmning.

I ännu större skala, applikationer i maten, farmaceutisk, kosmetika och till och med oljeindustrin, till exempel separering av olja och vatten under oljeutvinning, skulle vara möjligt.