Oljans och vattens ovilja att blandas ihop och förbli på det sättet är så välkänd att det har blivit en klyscha för att beskriva två saker som inte går ihop bra. Nu, ett nytt fynd från forskare vid MIT kan vända det uttrycket på huvudet, ger ett sätt att få de två ämnena att blandas och förbli stabila under långa perioder – ingen skakning krävs. Processen kan hitta applikationer inom läkemedel, kosmetika, och bearbetade livsmedel, bland andra områden.

Den nya processen går ut på att kyla ett bad med olja som innehåller en liten mängd av ett ytaktivt ämne (en tvålliknande substans), och sedan låta vattenånga från den omgivande luften kondensera till oljeytan. Experiment har visat att detta kan producera små, enhetliga vattendroppar på ytan som sedan sjunker ner i oljan, och deras storlek kan kontrolleras genom att justera andelen ytaktivt ämne. Resultaten, av MIT doktorand Ingrid Guha, tidigare postdoc Sushant Anand, och docent Kripa Varanasi, redovisas i journalen Naturkommunikation .

Som alla som någonsin har använt salladsdressing vet, oavsett hur kraftigt blandningen skakas, oljan och vinägern (en vattenbaserad lösning) separeras inom några minuter. Men för många användningsområden, inklusive nya läkemedelsleveranssystem och livsmedelsbearbetningsmetoder, det är viktigt att kunna få olja i vatten (eller vatten i olja) för att bilda små droppar – bara några hundra nanometer i diameter, för små för att se med blotta ögat – och för att få dem att förbli små i stället för att smälta samman till större droppar och så småningom separera från den andra vätskan.

Vanligtvis, i industriella processer tillverkas dessa emulsioner genom att antingen skaka blandningen mekaniskt eller genom att använda ljudvågor för att skapa intensiva vibrationer i vätskan, en process som kallas sonikering. Men båda dessa processer "kräver mycket energi, "Varanasi säger, "och ju finare droppar, ju mer energi tar det." Däremot, "vårt tillvägagångssätt är mycket energibilligt, " han lägger till.

"Nyckeln till att övervinna den separationen är att ha riktigt små, nanoskala droppar, " Guha förklarar. "När dropparna är små, gravitationen kan inte övervinna dem, " och de kan förbli avstängda på obestämd tid.

För den nya processen, laget inrättade en oljetank med ett tillsatt ytaktivt ämne som kan binda till både olja och vattenmolekyler. De placerade detta i en kammare med mycket fuktig luft och kylde sedan oljan. Som ett glas kallt vatten en varm sommardag, den kallare ytan gör att vattenångan fälls ut. Det kondenserande vattnet bildar då droppar på ytan som sprider sig genom blandningen av olja och ytaktiva ämnen, och storlekarna på dessa droppar är ganska enhetliga, laget hittade. "Om du får kemin rätt, du kan få precis rätt spridning, " säger Guha. Genom att justera andelen ytaktivt ämne i oljan, droppstorlekarna kan kontrolleras väl.

I experimenten, teamet producerade emulsioner i nanoskala som förblev stabila under perioder på flera månader, jämfört med de få minuter som det tar för samma blandning av olja och vatten att separera utan tillsatt ytaktivt medel. "Dropparna förblir så små att de är svåra att se även under ett mikroskop, " säger Guha.

Till skillnad från skaknings- eller sonikationsmetoderna, som tar det stora, separera massor av olja och vatten och gradvis få dem att bryta ner till mindre droppar - en "top-down"-metoden - kondensationsmetoden börjar direkt med de små dropparna som kondenserar ut från ångan, som forskarna kallar ett nedifrån och upp-upplägg. "Genom att täcka de nykondenserade vattendroppar i nanoskala med olja, vi drar fördel av den inneboende naturen hos fasförändringar och spridningsfenomen, " säger Varanasi.

"Vårt bottom-up-tillvägagångssätt för att skapa nanoskalaemulsioner är mycket skalbart på grund av enkelheten i processen, ", säger Anand. "Vi har upptäckt många nya fenomen under det här arbetet. Vi har funnit hur närvaron av ytaktivt ämne kan förändra växelverkan mellan olja och vatten under sådana förhållanden, främjar oljespridning på vattendroppar och stabiliserar dem på nanoskala."

Teamet säger att tillvägagångssättet bör fungera med en mängd olika oljor och ytaktiva ämnen, och nu när processen har identifierats, deras resultat "ger ett slags designriktlinje för någon att använda" för en viss typ av tillämpning, säger Varanasi.

"Det är en så viktig sak, " han säger, eftersom "livsmedel och läkemedel alltid har ett utgångsdatum, " och ofta har det att göra med instabiliteten hos emulsionerna i dem. Experimenten använde ett speciellt ytaktivt ämne som är allmänt använt, men många andra sorter finns tillgängliga, inklusive några som är godkända för livsmedelskvalitet.

Dessutom, Guha säger, "vi föreställer oss att du kan använda flera vätskor och göra mycket mer komplexa emulsioner." Och förutom att användas i mat, kosmetika, och droger, metoden kan ha andra tillämpningar, som i olje- och gasindustrin, där vätskor som borrmudder som skickas ner i brunnar också är emulsioner, Säger Varanasi.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.