Gemensam erfarenhet säger oss att olja och vatten inte blandas. Ändå visar det sig att de kan blandas när olja sprids som små droppar i vatten. Detta märkliga beteende har länge irriterat forskare eftersom det inte finns någon förklaring till det. Ett team av EPFL- och ICTP-forskare har studerat denna fråga med hjälp av ny optisk teknologi och upptäckt mekanismen genom vilken dessa två neutrala och oblandbara föreningar faktiskt kan blandas och bilda emulsioner. Svaret ligger i den elektriska laddningsfördelningen vid gränssnittet.

I mer än hundra år har kemister undrat över denna fråga:Hur kan små oljedroppar existera i vatten utan några stabiliserande molekyler? "När allt kommer omkring har vattenmolekyler så starka och gynnade interaktioner med varandra att de inte gillar att inkorporera molekyler som inte deltar i dessa interaktioner", säger professor Sylvie Roke, studiens ledande utredare.

Faktum är att olja och vatten separeras från varandra när de bara blandas. Men med tillräcklig tillförsel av energi i form av ultraljud bildas oljedroppar med storlekar mindre än 1 mikron i rent vatten och fortsätter att existera i flera veckor eller månader. Märkligt nog när de placeras i ett elektriskt fält, rör sig dropparna mot den positiva elektroden. Att blanda neutral olja och neutralt vatten resulterar således i negativt laddade oljedroppar. Föga överraskande har källan till denna oväntade anklagelse diskuterats hårt.

Teamet av forskare från Laboratory of Fundamental BioPhotonics (LBP) i ingenjörsskolan vid EPFL ledd av prof. Roke, i samarbete med Dr. Ali Hassanali från International Center of Theoretical Physics (ICTP), hittade Trieste källan till den negativa laddningen genom att studera både laddningen och molekylstrukturen hos dropparnas gränssnittsolja och vatten. Deras resultat har publicerats i Science .

Felaktiga vätebindningar

Det visar sig att svaret på detta mångåriga pussel ligger i gränsytan mellan oljedroppar och vatten. Vattenmolekyler föredrar att donera och acceptera elektriska laddningar från sina grannar via en interaktion som kallas vätebindning. Men när de är nära oljemolekylerna vid droppytan kan de inte längre hitta tillräckligt med vattengrannar att vätebinda till. Istället donerar dessa vattenmolekyler sina obalanserade elektriska laddningar till oljemolekylerna vid droppytan. Denna studie avslöjar att vatten-olja-interaktionen sker via en så kallad felaktig vätebindning. Detta är en svag vätebindning mellan olja och vatten, och även om den är svag – kommer många av dessa att stabilisera droppen.

För att reda ut denna mekanism använde Rokes team en ultrasnabb optisk teknik. "Två ultrakorta laserpulser överlappades på en blandning av oljedroppar och vatten. När vi gör detta genereras och sprids nya fotoner från droppgränssnittet. Dessa fotoner har summafrekvensen av de två inkommande laserstrålarna och rapporterar om vibrationsbindningarna vid gränsytan, det vill säga atomernas rörelse i gränssnittsmolekyler. Detta berättar om strukturen och interaktionerna mellan olja och vatten", förklarar Roke. På molekylär skala har gränssnittet mellan oljedroppar och vatten starka likheter med gränssnitt involverade i proteinveckning eller biologisk membranbildning. Därför tillfredsställer dessa fynd om strukturen av gränssnittet mellan oljedroppar och vatten inte bara vår nyfikenhet om vattnets komplicerade komplexitet utan har också implikationer för att förstå interaktioner genom biologi och kemi.